Звуковые волны

Бросьте в воду камень. По её поверхности тотчас же разойдутся круговые волны, уходящие всё дальше и дальше от места падения камня. На первый взгляд ка­жется, что вместе с волной уходят и отдельные частицы воды. Но если бросить на поверхность воды лёгкую щепку, то можно увидеть, что щепка только покачи­вается вверх и вниз; она в точности повторяет движение окружающих её частиц воды. Когда волна набегает, щепка поднимается вверх — на гребень; волна про­шла — и щепка снова возвращается на прежнее место.

clip_image002

Рис.5. Схематическое изображение водя­ной волны. Стрелками показано направ­ление движения отдельных частиц воды

Она не движется по направлению движения волны, не следует за волной. Значит, и частицы воды, образую­щие волну, не уходят с ней, а только колеблются вверх и вниз.

На рис. 5 показано, как частицы одна за другой приходят в колебательное движение, образуя волну.

clip_image004

Рис. 6. Камертон

Распространение звука можно сравнить с распро­странением волны по воде. Только вместо брошенного в воду камня имеется колеблющееся тело, а вместо по­верхности воды — воздух.

Пусть источником звука будет камертон. Это — небольшой стальной изогнутый стержень с ножкой на изгибе (рис. 6). Камертоном часто пользуются при на­стройке музыкальных инструментов. Лёгким ударом по камертону можно заставить его звучать. В первое мгно­вение после удара ветвь камертона отклоняется, до­пустим, вправо; при этом она толкает вправо и прилегающие к ней частицы воздуха. Тогда в каком-то маленьком пространстве около камертона воздух ока­жется сгущённым. Но в таком состоянии частицы воздуха оставаться не могут. Стараясь разойтись, они потеснят своих соседей справа, и сгущение очень быстро передастся от одного слоя воздуха другому. Но и ветвь камертона не останется в покое. В следующий момент она уже отклонится влево и потеснит частицы воздуха с левой стороны. А справа воздух окажется теперь раз­режённым. Это разрежение так же, как и сгущение, быстро сообщится всем слоям воздуха.

При следующем колебании повторится та же кар­тина. Таким образом, каждое колебание ветви камер­тона создаст в воздухе одно сгущение и одно разре­жение. Чередование таких сгущений и разрежений и есть звуковая волна. Сколько колебаний совер­шает камертон, столько отдельных сгущений — «греб­ней» и разрежений — «впадин» посылает он в воздух. Когда такая волна достигает уха, мы её и воспринимаем как звук.

Однако между водяными и звуковыми волнами есть существенная разница. Водяные волны распространя­ются кольцеобразно и только по поверхности. Звуковые же волны заполняют всё пространство около звучащего тела. Кроме того, в водяной волне колебания отдельных частиц совершаются вверх и вниз поперёк направления волны, а в звуковой волне частицы колеблются вперёд и назад вдоль волны. Поэтому волны на поверхности воды называются поперечными, а звуковые — продольными.

Но какая бы волна ни была, частицы вещества, участвующие в колебательном движении, никогда не перемещаются вместе с волной. И сама волна — это только передача движения от одной колеблю­щейся частицы другой.

clip_image006

Рис. 7. Падающие кости домино напоминают распространение звуковой волны

Понять это ещё лучше помогут кости домино. По­ставьте все их в ряд, недалеко друг от друга, и толкните первую кость (рис. 7). Падая, она увлечёт за собой вторую кость, вторая — третью и так далее. Через короткое время все кости будут лежать. Каждая из них осталась на своём месте, а передалось по всему ряду только движение.

Точно так же из уст говорящего человека частицы колеблющегося воздуха не летят в уши слушающего, а передаётся лишь движение частиц, образующих отдель­ные сгущения и разрежения.

Артиллерийские выстрелы мы слышим на расстоянии многих километров также благодаря колебательным движениям отдельных частиц воздуха.

Передача звука на расстояние требует затраты опре­делённой работы. Ведь для того, чтобы возникла звуко­вая волна, необходимо раскачать частицы воздуха. Однако размах колебаний частиц в звуковой волне ничтожно мал. Давление, которое образуется в местах сгущения волны, не превосходит даже в самом сильном звуке 0,5 грамма на квадратный сантиметр, а в слабом звуке это давление много меньше давления, оказывае­мого комаром, севшим на голову человека! Отсюда по­нятно, что и работа, идущая на создание звуковой волны, очень невелика. Если бы миллион человек одно­временно говорили в течение полутора часов, то вся энергия звуковых волн, создаваемых миллионом голосов, была бы достаточна только для того, чтобы вскипятить один стакан воды!

Читатель может спросить.- почему же тогда для по­лучения звука приходится тратить значительную работу? Попробуйте дуть некоторое время в свисток,— вы убедитесь, что занятие это не такое уж лёгкое. В сире­нах и гудках часто применяется сжатый воздух или пар с давлением в несколько раз больше давления атмосфер­ного воздуха. И, несмотря на такую большую затрату энергии, получаемый звук распространяется на сравни­тельно небольшое расстояние.

Оказывается, во всех источниках звука только маленькая часть затрачиваемой работы переходит в энергию звука.

Если бы вся энергия гудков и сирен тратилась только на создание звуков, то они были бы слышны на сотни километров! Большинство музыкальных инстру­ментов превращает в звуковую энергию не более одной тысячной доли энергии, затрачиваемой ггри игре. Человек при разговоре или пении превращает в энергию звука только около одной сотой части совер­шаемой работы. Остальные 99 частей пропадают, пере­ходя главным образом в тепловую энергию.

Category: Разное