Физика на каждом шагу - Яков Перельман

Другое дело – использование солнечных лучей не для приведения машин в движение, а для надобностей нагревания. Здесь польза солнечных установок должна оправдываться не только теоретически, но и практически. В знойных частях нашего Туркестана, где в течение теплой половины года небо безоблачно, солнечные нагреватели должны быть особенно полезны. Такие установки есть в Ташкенте, в Самарканде, на нефтяных промыслах острова Челекена (Каспийское море). Вот полезные в народном хозяйстве источники энергии:

«белый уголь» – энергия падающей воды;

«желтый уголь» – энергия солнечных лучей; «голубой уголь» – энергия ветра;

«синий уголь» – энергия морского прибоя и морских приливов;

«серый уголь» – энергия морского магнетизма.

В значительной мере также и эти источники энергии обусловлены солнцем. Ветер – результат неодинакового нагревания солнцем различных масс воздуха; морской прибой – следствие ветра. И только приливы и земной магнетизм не целиком зависят от солнца[19].

Глава пятая В мире звуков

Скорость звука

Случалось ли вам наблюдать издали за дровосеком, рубящим дерево? Или, быть может, вы следили за тем, как вдали работает плотник, вколачивая гвозди? Вы могли заметить при этом очень странную вещь: удар раздается не тогда, когда топор врезается в дерево или когда молот ударяет по гвоздю, а позже, когда топор или молот уже поднят прочь.

Это подметили еще в древности. В поэме Лукреция «О природе вещей», которую мы упоминали уже раньше, имеются следующие строки:

«…Если ты издали смотришь на человека, рубящего дерево острым орудием, то еще раньше ты видишь удары, чем к слуху удары звуки доносят. Вот так же и молнию видим мы раньше, нежели гром слышим, хотя одновременно с молнией он возникает от тех же толчков и по той же причине».

Когда вам придется наблюдать это явление, отойдите на некоторое расстояние назад или продвиньтесь вперед. После ряда проб вы найдете такое место, куда звуки ударов топора или молота доносятся как раз в момент видимого удара. Возвратитесь тогда на прежнее место и снова заметите несовпадение звуков с ударами.

Лукреций правильно указал причину этих загадочных явлений. Звук требует некоторого времени, чтобы от места своего возникновения пройти до вашего уха; свет же пробегает это расстояние почти мгновенно. И может случиться, что, пока звук странствует через воздух к вашему уху, топор или молот успели уже подняться для нового удара. Тогда глаз увидит не то, что слышит ухо; вам покажется, что звук совпадает не с опусканием, а с поднятием инструмента. Но если вы отойдете назад или продвинетесь вперед на такое расстояние, которое пробегается звуком за время одного взмаха топора, то к моменту, когда звук дойдет до вашего уха, топор снова успеет опуститься. Тогда, конечно, вы увидите и услышите удар одновременно, но только это разные удары: вы видите последний удар, но слышите удар прошлый – предпоследний или еще более ранний.

Сколько же пробегает звук в воздухе за одну секунду времени? Это в точности измерено: круглым счетом около 1/3 км – 330 м. Каждый километр звук проходит в три секунды, и если дровосек взмахивает топором дважды в секунду, то вам достаточно находиться в расстоянии полутораста метров, чтобы звук топора совпадал с его поднятием. Свет же пробегает в воздухе каждую секунду почти в миллион раз больше, нежели звук. Вы понимаете, конечно, что для всех расстояний на Земле мы можем поэтому смело считать скорость света мгновенною.

Передача звука

Не надо думать, что звук передается только через воздух. Он может проходить и через другие вещества – газообразные, жидкие, даже твердые. В воде звук бежит в четыре с лишком раза быстрее, чем в воздухе.

Если вы сомневаетесь, что звук может передаваться через воду, расспросите рабочих, которым приходится бывать в подводных сооружениях: они подтвердят вам, что под водой отчетливо слышны береговые звуки.

А от рыбаков вы узнаете, что рыбы разбегаются при малейшем подозрительном шуме на берегу.

Ученые еще 200 лет назад в точности измерили, с какою скоростью бежит звук под водою. Сделано это было на одном из швейцарских озер – на Женевском. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один от другого. С борта одной лодки свешивался под воду колокол, в который можно было ударять молотком с длинной ручкой. Ручка эта была соединена с приспособлением для зажигания пороха в маленькой мортире, укрепленной на носу лодки: одновременно с ударом в колокол вспыхивал порох, и яркая вспышка видна была далеко кругом. Мог видеть эту вспышку, конечно, и тот физик, который сидел в другой лодке и слушал звук колокола в трубу, спущенную под воду. По запозданию звука в сравнении со вспышкой определялось, сколько секунд бежал звук по воде от одной лодки до другой. Такими опытами найдено было, что звук в воде пробегает около 1 440 м в секунду.

Еще лучше и быстрее передают звук твердые упругие материалы, например, чугун, дерево, кости. Приставьте ухо к торцу длинного деревянного бруса или бревна и попросите товарища ударить палочкой по противоположному концу, вы услышите гулкий звук удара, переданный через всю длину бруса. Если кругом достаточно тихо и не мешают посторонние шумы, то удается даже слышать через брус тиканье часов, приставленных к противоположному концу. Так же хорошо передается звук через железные рельсы или балки, через чугунные трубы, через почву. Приложив ухо к земле, можно расслышать топот лошадиных ног задолго до того, как он донесется по воздуху; а звуки пушечных выстрелов слышны этим способом от таких отдаленных орудий, грохот которых по воздуху совсем не доносится. Так хорошо передают звук упругие твердые материалы; мягкие же ткани, рыхлые, неупругие материалы очень плохо передают через себя звук, – они его «поглощают». Вот почему вешают толстые занавески на дверях, если хотят, чтобы звук не достигал соседней комнаты. Ковры, мягкая мебель, платье действуют на звук подобным же образом.

Мнимый колокол

В числе материалов, хорошо передающих звуки, сейчас упомянуты были кости. Хотите убедиться, что кости вашего собственного черепа обладают этим свойством? Захватите зубами колечко карманных часов и зажмите руками уши; вы отчетливо услышите мерные удары балансира, заметно более громкие, нежели тиканье, воспринимаемое ухом через воздух. Эти звуки доходят до вашего уха через кости головы.

Вот еще забавный опыт, доказывающий хорошую передачу звуков через кости черепа. Привяжите к середине бечевки столовую ложку так, чтобы бечевка имела два свободных конца. Концы эти прижмите пальцами к закрытым ушам и, подавшись корпусом вперед, чтобы ложка могла свободно раскачиваться, ударьте ею о что-нибудь твердое. Вы услышите низкий гул, словно возле самого вашего уха раздается колокольный звон.

Еще лучше удается опыт, если вместо ложки взять кочергу или тяжелые щипцы для углей.

Сила звука

Как ослабевает звук с расстоянием? Физик ответит вам, что звук ослабевает «обратно пропорционально квадрату расстояния». Это означает следующее: чтобы звук колокольчика на тройном расстоянии был слышен так же громко, как на одинарном, нужно одновременно звонить в 9 колокольчиков; на 4-кратном расстоянии – в 16 колокольчиков и т. д.

Теперь вы поймете, между прочим, почему легкий шепот соседа так сильно мешает нам слушать речь оратора на далекой эстраде или слова артиста на отдаленной сцене. Предположим, что оратор или артист находятся от вас в 15 м, а голова соседа – в 30 см от вашего уха. Голос оратора достигает до вас с расстояния в 1 500: 30, т. е. в 50 раз большего, чем шепот соседа. И значит, если даже шепот в 50 × 50, т. е. в 2 500 раз слабее голоса оратора на равном расстоянии, для вас он будет не менее громок. Вот почему сосед своим «тихим» разговором всегда заглушает для вас голос, доходящий со сцены или эстрады.

По той же причине так важно, чтобы ученики в классе не разговаривали между собою и вообще соблюдали полную тишину во время объяснения учителя; разговаривающие мешают не столько учителю, сколько соседям, заглушая для них его слова.

Кто громче?

Если вы хорошо поняли закон ослабления звука, ответьте на вопрос:

Какая группа младенцев сильнее оглушает стоящего между ними человека: два младенца на расстояния 2 мот его уха или три младенца на расстоянии Зм?

Правильный ответ: сильнее оглушают два младенца. В самом деле: их крик на расстоянии 2 м ослабевает в 4 раза по сравнению с громкостью на расстоянии 1 м. Следовательно, до уха слушателя доносится звук в 2/4, т. е. вдвое слабее, чем крик одного младенца на расстоянии 1 м. От группы же трех младенцев звук доходит ослабленным в 9 раз по сравнению с его силою на расстоянии 1 м; следовательно, сила звука с этой стороны составляет 3/9, или одну треть силы крика одного младенца на расстоянии 1 м. Значит, крик двоих доносится громче крика троих