Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Это означает, что если мы рассматриваем два однотипных объекта, то ожидаем, что больший и более массивный из них будет иметь и более длинный период колебаний. Следовательно, он произведет меньшее количество звуковых волн в единицу времени, и индивидуальные волны будут иметь большую длину волны и более низкую частоту.

Период колебаний также может быть изменен, если мы изменим величину силы упругости: по мере увеличения силы упругости период колебаний становится короче. То, что тугую струну более трудно вывести из положения равновесия, чем слабо натянутую, иллюстрирует то, что сила, имеющая тенденцию восстанавливать струну к «нулевому» положению, увеличивается по мере возрастания натяжения струны. Из двух одинаковых струн более тугая струна сокращается также быстрее, и если это — тетива лука, то позволяет лучнику выстрелить дальше. (Именно поэтому тетиву лука содержат натянутой настолько туго, насколько это возможно, когда лук находится в действии.) Тугая струна, более быстро «отскакивая» назад, естественно, имеет и более короткий период колебаний, чем слабо натянутая, она и звуковые волны производит с более высокой частотой и более короткой длиной волны.

Однако из опыта мы знаем, что все приспособления, которые служат для того, чтобы производить звуковую волну низкой частоты, также издают низкий тон, в то время как те, что производят звуковую волну высокой частоты, также издают высокий, пронзительный тон. Большие объекты с длинными периодами вибрации производят низкие тоны, в то время как подобные им маленькие объекты производят высокие: сравните звон церковного колокола со звяканьем колокольчика на салазках, низкий тон струны на контрабасе с пронзительностью струны на скрипке. В живой жизни сравните трубные звуки, которые издает слон, с писком мыши; «гудение» гуся — с чириканьем канарейки. Голос мужчины, с его более длинными голосовыми связками, глубже, чем голоса женщин и детей, с их более короткими. Но каждый индивидуум может изменить высоту звука, который он издает, регулируя натяжение своих голосовых связок (хотя он и не знает, что поступает именно таким образом), а звук свободно вибрирующей струны можно сделать более пронзительным, если потуже натянуть эту струну.

Это свойство пронзительности, или глубины тона, называется «высотой звука», и весьма очевидно, что человеческое ухо дифференцирует частоты звуковых волн по их высоте. По мере увеличения частоты звук, который мы слышим, кажется нам все более и более пронзительным. По мере уменьшения частоты, наоборот, слышимый нами звук кажется нам все более и более низким.

Частоту звуковой волны определить достаточно легко. Действительно, колебания камертона можно подсчитать несколькими различными способами, включая (наверное, самый простой метод) нанесение линии непосредственно самописцем, закрепленным на ножке камертона на перемещающейся миллиметровой бумаге, и подсчет волн, произведенных в единицу времени. Таким образом, и частота, и высота звука могут быть согласованы. Например, можно показать, что и механический камертон, и духовой камертон — трубочка с язычком, в которую дуют, а она издает звук — «стандартное ля», по которому музыканты настраивают свои инструменты, — имеют частоту 440 раз в секунду.

Для того чтобы вычислить фактическую длину волны звука некоторой высоты, можно использовать уравнение 11.1. Как мы видим из него, частота (ν) является равной скорости распространения волны V, деленной на длину волны (λ). Решая уравнение 11.1 для (λ), мы находим, что:

Чтобы сделать уравнение 12.1 более полезным, нам необходима дополнительная информация, а именно: скорость звука. Эта скорость может быть определена со значительной точностью в результате прямого эксперимента, который впервые был успешно осуществлен в начале XVII столетия.

Предположим, что на одном холме установлено орудие (пушка), а на другом холме размещены наблюдатели; расстояние между холмами может быть измерено и известно. Когда орудие стреляет, то вспышка будет замечена сразу (предположение о том, что свет распространяется настолько быстро, что его перемещение от одного холма до другого займет фактически нулевое время, сделанное еще в те времена, оказалось абсолютно правильным). Звук выстрела орудия, однако, будет услышан только спустя некоторый интервал времени, который можно измерить. Если разделить расстояние между орудием и наблюдателями на число секунд задержки между появлением вспышки и звуком от выстрела, то (при условии обладания точными часами) это и даст нам величину скорости звука.

Безусловно, если имеется ветер, то волны сжатия будут ускорены вперед движением воздуха или, наоборот, замедлены в зависимости от направления ветра. Однако это можно учесть, если сначала расположить орудие на одном холме, а затем наоборот. Таким образом, независимо от направления ветра мы можем исключить его влияние, взяв среднее значение из этих величин, то есть полученная величина (из-за взаимного исключения скоростей) и даст нам скорость звука в стоячем воздухе.

В настоящее время общепринятая скорость воздуха при нормальной температуре (скажем, 20 °С, или, что является эквивалентным, 68 °F) [52] Более подробно вопрос температур и температурных шкал будет рассмотрен дальше. равна 344 метрам в секунду (или 1130 футов в секунду, или 758 миль в час). При изменении температуры эта скорость также немного изменяется. В холодный зимний день она может опуститься до 330 метров в секунду, в то время как в жаркий летний день она может подняться до 355 метров в секунду.

Разница температур оказывает достаточно важный эффект на скорость звука. В течение дня верхние слои атмосферы в целом более холодные, чем воздух вблизи поверхности Земли. Поскольку направленная вверх часть пучка звуковых волн проникает в холодную стратосферу, она замедляется; эффектом этого является то, что весь пучок отклоняется вверх. (Представьте себе, что вы идете, а кто-то захватывает вашу левую руку, замедляя эту часть вашего тела, при этом вы автоматически измените направление своего движения — влево.) Ночью ситуация обратная, поскольку верхние слои становятся теплее низких: верхняя часть пучка звуковых волн ускоряется, и весь пучок изменяет направление — отклоняется вниз. По этой причине ночью звук обычно можно услышать более ясно и на большем расстоянии, чем днем.

Однако если мы ограничимся комнатной температурой, то мы можем записать уравнение 12.1 в виде:

До недавнего времени скорость звука намного превосходила скорость любого транспортного средства, сделанного человеком, поэтому она не имела никакого практического применения. Однако с изобретением самолета и с постоянным увеличением скоростей, на которые он был рассчитан, важность скорости звука возросла, причем по причинам, напрямую не связанным со скоростью сообщения.