Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Чем человек хуже рельса? Да ничем он рельса не хуже! Я бы даже сказал, человек лучше рельса! Ну так давайте его просветим ультразвуком да посмотрим, чего там внутри. Интересно же.

Эхолокация – отличная придумка человеческого гения. Только изобрел ее не человек, а сама природа. Животные миллионы лет используют эхолокацию. Самые известные эхолокаторы – дельфины и летучие мыши. Они издают ультразвуковой писк, направляя звуковой луч вперед. Звук, отражаясь от предметов, возвращается обратно в виде эха, и животное понимает: впереди препятствие.

Это, по сути, второе зрение для дельфинов и летучих мышей, которое позволяет ориентироваться там, где не помогает зрение обычное – в мутной воде или в полной темноте подземных пещер, где обитают летучие мыши. Причем звуковое «зрение» настолько тонкое и чувствительное, что с его помощью летучие мыши охотятся на мелких насекомых, а дельфин в мутной воде, ночью или просто с закрытыми глазами может на расстоянии в 20 метров «увидеть» своим ультразвуковым «зрением» дробинку.

Для этого на лбу дельфина под кожным слоем есть особая жировая линза, она служит для фокусировки испускаемого ультразвукового луча. А приемником-пеленгатором отраженной волны служит передняя вогнутая наподобие рефлектора часть черепа дельфина. У дельфинов два органа слуха – обычный звуковой и ультразвуковой.

Дельфины – настоящие звуковые машинки. Они не только издают, но и слышат звуки в широчайшем диапазоне, гораздо шире нашего: дельфины могут воспринимать и инфразвук, и ультразвук. Кроме того, они большие болтуны. У дельфинов есть свой язык, и они все время болтают о чем-то друг с другом, обмениваясь важной и просто эмоциональной информацией. В активном словаре дельфинов около 14 тысяч «слов», с помощью которых они могут передавать друг друг довольно сложные сообщения. Например, в эксперименте два дельфина – обученный и необученный – были разделены непрозрачной, но звукопроницаемой стенкой. Так вот, не показывая, что нужно делать на собственном примере, а используя только речь, обученный дельфин может объяснить необученному, что нужно найти на дне рассыпанные пластмассовые фигурки, выбрать красный треугольник, отнести его дрессировщику и получить за это рыбку.

Причем, любопытно, что речь дельфинов строится точно так же, как наша, она состоит из отдельных звуков, которые складываются в слоги, слоги – в слова, слова – в предложения. Причем у каждого «племени» дельфинов свой собственный диалект. И это еще не все! Дельфины дают друг другу собственные имена. Причем имена эти присваиваются каждому малышу при его рождении. Это было выяснено американскими учеными экспериментально. В океане они отловили стаю из полутора десятков дельфинов и записали звуки, которые те издают. Компьютерный анализ позволил разложить звуки, издаваемые дельфинами, на отдельные слова, а из них вычленить характерные свисты личных имен. Почему экспериментаторы решили, что это имена? Потому что при воспроизведении этих звуков через динамики на них каждый раз откликался только один дельфин – тот, кого позвали.

И это означает только одно – мы не единственный разумный вид на этой планете.

Конечно, вышесказанное не относится напрямую к физике, но не рассказать про это я не мог, потому что дельфины – самые лучшие животные за Земле после нас. Попросите маму купить вам дельфина в зоомагазине…

Свет в воде распространяется плохо, а звук хорошо, поэтому природа и выбрала для ориентировки морских обитателей, помимо зрения, еще и метод улавливания колебаний среды, в которой они плавают. И не прогадала. Если в воздухе звук от сирены мощностью в 100 киловатт (это мощность сотни электрических чайников) слышен на расстоянии в 15 километров, то в воде звук от источника мощностью всего в 1 киловатт, то есть в сто раз меньше, слышен на расстоянии в 35 километров. Вода – прекрасный проводник звука.

Поэтому с помощью ультразвуковой эхолокации дельфины не только ориентируются, но и охотятся. Их ультразвуковой радар посылает вперед луч, которым дельфины сканируют пространство и обнаруживают косяки рыб и отдельных рыбешек. В этом они похожи на летучих мышей, которые охотятся на разных мотыльков и жуков. Мыши тоже «обстреливают» перед собой ультразвуком пространство в полете, засекают мошку по курсу и на лету хватают. «Дальнобойность» этих истребителей насекомых не такая, конечно, как у дельфинов, поскольку в газовой среде колебания распространяются хуже, чем в более плотной, но мышам хватает.

А вот ночные бабочки и мотыльки, чтобы спастись от зубов ночного охотника, обрастают густым пухом. Как вы думали, почему ночные мотыльки такие мохнатые? Пухлявый покров гасит ультразвук, делая мотыльков менее заметными целями. Технология «Стелс»[1] во всей своей красе. Бабочки обрастают пухом, мыши наращивают огромные уши-локаторы. Известная гонка брони и калибра…

Однако ультразвук не только помогает живым существам, но и может представлять опасность для них. Например, ультразвуком можно стерилизовать воду или молоко, то есть он губителен для микробов. И не только для микробов, но и для небольших организмов типа гидр. Ультразвуковое облучение воды, в которой живут гидры, убивает их. Да что там микроскопические гидры! Даже такие большие существа, как лягушки и рыбы, могут быть убиты мощным ультразвуком всего за несколько минут!

Большие существа тоже не любят ультразвук. Существуют специальные ультразвуковые свистки, чтобы отпугивать бродячих псов, и даже особые ультразвуковые установки, с помощью которых избавляются от крыс. Стоит включить такую установку в подвале дома, как крысы начинают в панике бежать из него. Подобным образом борются также с вредными насекомыми и птицами.

? А что же люди? Они не сбегут из дома вместе с крысами?

Не сбегут: тот ультразвук, который пугает и нервирует крыс, люди не слышат. Однако даже неслышный ультразвук, если он имеет очень большую мощность, может отрицательно повлиять на здоровье. У людей, которые находятся под мощным ультразвуковым излучением, начинаются головные боли, тошнота, появляется неприятное покалывание во рту и в носу. Поэтому на производстве, где есть ультразвуковой фон, используют разные средства защиты – заглушки, звукопоглощающие экраны, а если возможен контакт рук с вибрирующими поверхностями и жидкостями, то применяют двойные перчатки со слоем воздуха, который гасит колебания.

Но что интересно, иногда сам ультразвук может играть роль средства защиты от опасности! Например, там, где применяют сахарную пудру – в кондитерских цехах, – прекрасно знают, какая опасность может их подстерегать. Сахар взрывоопасен, причем он относится к веществам первого класса по взрывоопасности, то есть крайне опасным. Сахарная пыль в воздухе может взорваться от малейшей искры, и нижний предел взрываемости достигается при накоплении в кубометре воздуха всего 10 г сахарной пыли. (Верхний предел – 13,5 кг на кубометр.) Причем самая опасная сахарная пыль – с размером частиц в 0,03 мм, то есть та самая сахарная пудра, которой посыпают пончики и прочие сладости. Поэтому на производствах, где в воздухе может скапливаться сахарная пыль, устанавливается особо строгая техника безопасности. Иначе объемным взрывом цех может просто разнести. Именно это и случилось на сахарном заводе компании «Imperial Sugar» в штате Джорджия (США), когда из-за взрыва пудры пострадали десятки человек. Чтобы избежать повторений, и была выдвинута идея заменить сахарную пудру сахарной эмульсией, приготовленной с помощью ультразвуковой установки.

А теперь переместимся на другой край звуковой шкалы и посмотрим внимательно на инфразвук – не слышимые ухом низкочастотные, то есть длинноволновые колебания. Здесь ситуация гораздо трагичнее.

? Вы когда-нибудь что-нибудь слышали про «Летучий Голландец»?

Образ этого легендарного корабля-призрака, покинутого людьми и бороздящего просторы морей с оборванными парусами, и поныне вовсю используется в мультфильмах и кино. Легенда родилась в ту пору, когда корабли еще ходили под парусами, но по океанам уже началось оживленное морское движение. Вот тогда-то среди суеверных матросов и пошел гулять слух о корабле, населенном призраками, встреча с которым сулит несчастья.

И ведь легенда эта оказалась правдой!

Самый известный и хорошо документированный случай встречи с «Летучим Голландцем» произошел в декабре 1872 года в Атлантическом океане. В 400 морских милях от Гибралтарского пролива вахтенный матрос брига «Божьей Милостью» (Dei Gratia) поднял тревогу. Он увидел мачты какого-то судна, которое приближалось к их кораблю. Команда высыпала на палубу. Капитан Дэвид Рид поднес к глазам подзорную трубу и остолбенел – им навстречу плыло хорошо ему известное судно – «Мария Небесная» (Mary Celeste), пропавшее на просторах Атлантики вместе с ценным грузом примерно полмесяца назад.