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

Скорость, с которой сжатая область восстанавливает себя до нормального состояния и сжимает следующую область, определяется скоростью естественного восстановления молекул после упругой деформации (сжатия); таким образом, именно эта скорость восстановления и определяет скорость звука. Также эта скорость определяет способность воздуха «уйти с пути» летящего на него самолета. По мере того как скорость самолета приближается к скорости звука, его скорость приближается к той, с которой молекулы воздуха могут «отступать». Самолет начинает «догонять» «отступающие» молекулы воздуха и по мере дальнейшего возрастания скорости все больше и больше настигает их. Такой самолет постоянно как бы сжимает воздух перед собой (или, по крайней мере, пока поддерживает данную скорость движения) по причине того, что воздух не может «уйти с его пути». Этот объем сжатого воздуха, находящийся перед самолетом, оказывает огромное влияние на структуру материала, из которого самолет сделан; одно время, в 1940-х годах, даже возникло мнение, что при достижении скорости звука самолет распадется. Появление понятия «звуковой барьер» обязано собой именно этому факту, как если бы скорость звука представляла собой стену, через которую самолет не сможет прорваться.

Отношение скорости движения объекта к скорости звука в среде, в которой перемещается объект, называется «числом Маха», названным так в честь австрийского физика Эрнста Маха (1838–1916), который в конце XIX столетия первым исследовал теоретические последствия движений на таких скоростях. Тело, двигающееся со скоростью звука, перемещается «со скоростью в один мах», со скоростью в две скорости звука — «в два маха» и так далее. Число Маха не представляет собой определенной скорости, оно зависит от природы, температуры и плотности среды, через которую перемещается объект. Для обычного воздуха при комнатной температуре один мах равен 344 метра в секунду, или 758 милям в час.

По мере улучшения конструкций самолетов они смогли противостоять все большим напряжениям на высоких скоростях, и 14 октября 1947 года специально подготовленный самолет «пробил звуковой барьер», двигаясь со скоростью более одного маха.

С тех пор были достигнуты скорости в три маха и больше. (Можно сказать, что астронавт, летящий над Землей со скоростью пять миль в секунду, двигается со скоростью 25 махов, если использовать сравнение со скоростью в воздушной среде. Однако астронавт перемещается сквозь вакуум, а вакуум в значительной мере не передает звук, поэтому число Маха в действительности к такому движению неприменимо.)

Самолет, двигающийся со «сверхзвуковой» скоростью (скоростью более одного маха), несет звуковые волны за собой, если так можно выразиться, так как он перемещается быстрее, чем они. Объемы сжатия соединяются, и вместо плавного нарастания от сжатия до разрежения и обратно, как в обычных звуковых волнах, возникает резкая граница разделения между объемом сильных сжатий и окружающей нормальной атмосферой. Эти сильные потоки сжатия, направленные назад в виде конуса, угол которого зависит от числа Маха, и называются «ударной волной». Подобные потоки ударной волны возникают также от летящих пуль, или, например, от зигзага молнии, или других движений, которые энергично расширяют воздух при скоростях больше чем один мах. (Кстати, ударная волна — пример непериодической формы волны.)

Однако если самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, замедлится или изменит направление, ударная волна превратится в обычные звуковые колебания, переносящие при этом объемы необычно сильного сжатия и разрежения. В этой серии колебаний звуковые волны расширяются и ослабляются по мере того, как они распространяются, но если они начинаются довольно близко от земли или, случается, направлены вниз, то они ударят в землю со значительной силой, произведя эффект, известный как «акустический удар».

Гром, который производит молния, — один из примеров звукового удара, «щелчок» пастушеского кнута тоже представляет собой миниатюрный звуковой удар, так как было установлено, что у правильно сделанного кнута кончик перемещается со скоростью выше скорости звука.

Обычно, когда мы говорим о скорости звука, мы подразумеваем скорость его распространения сквозь воздух. Однако звуковые колебания распространяются сквозь любое материальное тело, и скорость их распространения изменяется в зависимости от природы этого тела. Межмолекулярные силы в жидкостях и твердых телах гораздо более сильные, чем в газах, а значит, восстановление их после сжатия происходит гораздо быстрее. Следовательно, звук распространяется в жидкостях и твердых телах с гораздо большей скоростью, чем в любом газе, и чем более твердой материей обладает тело (и, следовательно, с чем более сильными межмолекулярными силами), с тем большей скоростью звук распространяется сквозь него. В воде звуковые колебания распространяются со скоростью 1450 метров в секунду (3240 миль в час), а в металле — со скоростью приблизительно 5000 метров в секунду (или 11 200 миль в час).

В музыкальных инструментах звуки различной высоты тона могут быть воспроизведены посредством удара или щипка за струны различной длины и толщины, как это делается на фортепьяно или арфе, или, как в случае со скрипкой, используя немного струн, но изменяя их эффективную длину, зажимая пальцем один конец струны в различных точках, или позволяя звуковой волне заполнять трубки, которые могут удлиняться или сокращаться в зависимости от положения руки исполнителя, как это делается в тромбоне; или закрывая и открывая дополнительные объемы в трубке, закрывая отверстие пальцем, как во флейте, или нажимая на вентиль, как в трубе.

Когда на каком-либо инструменте берутся две ноты вместе или одна за другой, их комбинация кажется нам иногда приятной, а иногда — неприятной. Это, конечно, вопрос очень субъективный, к тому же основанный на культурном наследии слушателя, поскольку мы любим то, к чему мы привыкли, и множество типов музыки, начиная от рок-н-ролла и кончая, например, традиционной японской, могут показаться неприятными для непосвященного, но весьма нравятся их приверженцам. Однако если мы ограничимся рассмотрением «серьезной» классической западной музыки, то мы можем прийти к некоторым обобщениям и заключениям относительно ее.

Если две ноты прозвучали вместе, то результатом этого не являются два раздельных ряда звуковых волн, каждый из которых путешествует сквозь воздух независимо от другого, — мы имеем результирующую волну, которая произошла от сложения двух волн вместе.

Чтобы еще упростить, предположим, что мы каким-то образом создали две звуковых волны, каждая из которых одной и той же частоты, но звучит таким образом, что отстает от другой на половину длины волны. Всякий раз, когда одна звуковая волна формирует область сжатия в одной точке, другая — формирует там же область разрежения, и наоборот. Два эффекта взаимоуничтожают друг друга, и воздух не двигается. В результате взятые вместе два звука производят тишину; такое явление называется «интерференцией». Трудно представить это себе, если мы говорим о продольных волнах. Однако если изобразить продольные волны как аналогичные им поперечные волны (поскольку для данной цели такая замена вполне приемлема), то интерференцию достаточно легко изобразить. Во всех случаях, когда синусоида одной звуковой волны идет вверх, синусоида другой звуковой волны идет вниз, и если сложить эти два участка, то в результате мы получим ровную линию, то есть никакой волны вообще.