5. Спасите наши уши!

5.1. Индейский телеграф

Еще солнце не взошло, а к вигваму вождя привели на аркане пленника. Несчастный (перед тем, как его съели) рассказал, что в округе бродит отряд бледнолицых, и этот отряд примерно через неделю нападет либо на стойбище племени ням-ням, либо на стойбище племени плям-плям.

Вождь задумался. И было о чем: каждое племя может продержаться против бледнолицых всего лишь день. Впрочем, если силы обоих племен объединить, бледнолицые будут разбиты (и, естественно, съедены)...

Между стойбищами чуть больше дня пути...Собрать заранее всех воинов в одно стойбище? А если бледнолицые не будут идиотами и нападут на другое?

• Что делать? Как послать соседям просьбу о помощи?

  Способов не так уж много:

  • гонец (человек, зверь или птица) веревка;
  • звук;
  • свет;

• Каким способом можно воспользоваться?
• Какой из них самый надежный?

  Вождь Соколиный Глаз, когда у него заходил ум за разум, всегда посылал за шаманом. Коварный шаман Змеиный Язык не заставил себя долго ждать, однако на вопросы отвечать не стал, а начал задавать новые:

• Сколько времени понадобится на передачу призыва?
• Кто (или что) может помешать передаче?
• Можно ли (и как) устранить помехи?

  Когда сразу столько вопросов, надо собирать Военный Совет.

• Как вы думаете — что решил Совет?
• Как индейцы могли бы определить время, нужное для передачи просьбы? Какие ошибки могут возникнуть при этом?
• Как они справятся с помехами?
• Как выяснить, сколько человек надо, чтобы индейский телеграф работал?

Индейским телеграфом была цепочка барабанщиков. Чтобы определить время прохождения звука на большом расстоянии нужно измерить его скорость на малом расстоянии. Эту часть работы могли бы сделать двое — барабанщик и «слухач».

Если измерить расстояние S, которое преодолевает звук, и время, которое на это требуется, то скорость звука

Попробуйте теперь сами измерить скорость звука. Предложите эксперименты по определению скорости звука.

«Где твой черный пистолет?»

1. Подготовьте ракетницу (может подойти также хлопушка или петарда), секундомер, дальномер.
2. Найдите открытое пространство (спортплощадку, участок дороги, взлетную полосу аэродрома).
3. Разойдитесь на расстояние не меньше 0,5 км.
4. Измерьте время между моментом, когда вы увидите вспышку выстрела и моментом, когда услышите выстрел.
5. Вычислите скорость звука.
6. Проведите несколько опытов и определите среднее значение. Насколько точно вы определили скорость звука?
7. Попробуйте ответить на вопросы из истории «Индейский телеграф».
   • Как бы вы измерили скорость звука в воде?
   • В железе?
   • В стекле?
   • В земной коре?

Посмотрите на таблицу «Скорость звука»:

• В каком веществе, из приведенных в таблице, скорость звука (Vзв):
  а) наибольшая?
  б) наименьшая?
• Как можно было бы измерить эти скорости?

А теперь несколько задач.

136. Конец связи
Представьте себе, что вышла из строя Всемирная энергосистема. Раньше, чем через год, ее не починят. Все электро-, радио- и телеустройства погрузились в спячку... Как бы вы наладили связь с соседними городами? Сколько времени будет уходить, чтобы сообщение дошло до адресата? Сколько «связистов» потребуется?

137. «Сарафанное радио»
Можно ли экспериментально выяснить, с какой скоростью распространяются слухи и сплетни?

138. Сонный звук
Как изменился бы мир, если бы скорость звука уменьшилась в 100 раз?

139. Гром и молния
Вы услышали гром через 15 с после вспышки молнии. Как далеко от вас произошел разряд?

140. Где стреляли?
Звук выстрела из пушки дошел до первого наблюдателя через 3 с после вспышки выстрела, а до второго — через 4,5 с. Определить, где находится орудие, если расстояние между наблюдателями 1 км.

141. Позвоните мне в рельсу!
Мотоциклист увидел, как человек, стоящий у дороги, ударил ломом по висящему рельсу, а через 2 с услышал звук. Найдите скорость мотоциклиста, если он проехал мимо рельса через 36 с после удара.

142.
Герой одного из рассказов О'Генри «дал такого пинка поросенку, что тот полетел, опережая звук собственного визга». На какое минимальное расстояние сможет отлететь поросенок за 2 с?

143.
Если ударить молотком по одному концу длинной железной трубы, то у другого конца слышен двойной удар. Как, используя это явление, измерить скорость звука в металле?

5.2. Шкура барабанная и ее родственники

Однажды вождь Соколиный Глаз решил, что индейский телеграф занимает слишком много барабанщиков. Шаман Змеиный Язык был тут как тут со своими коварными вопросами:

• Как надо сделать барабан, чтобы звучал как можно громче?
• Нельзя ли придумать что-нибудь погромче барабана?

Шаман даже потребовал перечислить все способы, которыми можно создать звук. В конце концов все вопросы шамана свелись к одному:

• Почему барабан звучит?

Вождь очень быстро ответил: «Потому, что его ударили».

Шаман очень быстро отозвался: «Звук после удара длится заметно дольше, чем сам удар».

Тут же вождь и шаман потребовали себе самый большой барабан. Сначала вождь ударял, а шаман трогал барабанную шкуру, потом — наоборот. В конце концов, они заметили... (закончите фразу)... (что шкура дрожит, и когда она дрожит — слышен звук).

Тут вождь, который был так же силен в догадках, как шаман в загадках, высказал Великую Догадку (как вы думаете, какую?).

ВСЕ ЗВУЧАЩЕЕ — ДРОЖИТ!!!
При этом вождь завопил от восторга так, что у шамана в ушах зазвенело. Не помня себя от боли, шаман ухватил вождя за горло. Горло дрожало! Шаман отпустил вождя и взял за загривок Сторожевого Ягуара, который мурлыкал у входа. Загривок дрожал!

Тут вождь перестал вопить и выдал вторую Великую Догадку:

ВСЕ ДРОЖАЩЕЕ — ЗВУЧИТ!!!
Шаман вместо коварного вопроса приблизил к носу вождя судорожно сжатый кулак. Кулак (и вся рука) дрожали — но не звучали. Вторую великую догадку пришлось поправить:

НЕ ВСЕ ДРОЖАЩЕЕ ЗВУЧИТ!
Тем временем у шамана созрел очередной коварный вопрос:

Как дрожать, чтобы звучать?

Вождь вспомнил недавний бой: если в ствол дерева вонзается длинная стрела — она беззвучно дрожит, если короткая — звучит. Шаман вытащил самую длинную стрелу, прижал оперенный конец к плоскому камню, а вождь пригнул острый конец вниз — и тут же отпустил. Потом сделал свободный конец покороче — и опять отпустил.

Попробуйте и вы проделать то же с линейкой, прижатой к столу.

• Как бы вы ответили на вопрос шамана?

Ответ вождя (недаром его звали Соколиный Глаз):

— Стрела начинает звучать, когда ее дрожание перестает быть заметным глазу — настолько оно частое.

• Что происходит со звуком, если частота дрожания увеличивается?
• Как можно измерить частоту дрожания, при которой линейка начинает звучать?

Шаман попросил вождя поменяться местами: теперь вождь держал оперенный конец стрелы, а шаман отклонял и отпускал острие. Шаман слабее вождя, и каждый раз отклоняет острие не так сильно. Как изменится звучание?

Источники звука
Источники звука — физические тела, которые колеблются (дрожат, вибрируют) с частотой от 16 до 20000 раз в секунду (говорят, что частота колебания звучащего тела находится в диапазоне от 16 до 20000 герц). Вибрирующее тело может быть твердым (струна, земная кора), жидким (капля, океанская волна), газообразным (струя воздуха в свистке, смерч). Чем размах колебаний (амплитуда) больше, тем звук громче.

144. Танец на барабане (экспериментальная задача)
Насыпьте на звучащий барабан кусочки мела. Что происходит? Почему? Что изменится, если менять громкость барабана?

145. Оседланная струна (экспериментальная задача)

1. Откройте крышку рояля. Нажмите на правую педаль.
2. Поместите на звучащую струну рояля согнутую полосу бумаги (рейтер). Что происходит? Почему?
3. Поднесите к звучащей струне теннисный шарик на ниточке. Что происходит? Почему?

146. Размытая струна
Фотография звучащей струны выглядит размытой при выдержке фотоаппарата 0,1 с, 0,01 с (см. фото)... При выдержке 0,002 с получается четкая фотография звучащей струны. Не можете ли вы оценить частоту колебаний этой струны? Как измерить ее точнее?

5.3. Много шума — из ничего?

В одно прекрасное утро случился в племени Ням-Ням праздник победы над бледнолицыми, и устроили в честь победы состязания по стрельбе из лука. Каждый, кто был способен держать в руках оружие, почитал за честь прийти, увидеть, пострелять. И каких только луков там не было!

Луки игрушечные, в две пяди — из таких сопливые несмышленыши метят в спину самым вредным теткам племени.

Луки средние, в локоть, из такого можно подстрелить ворону, чтобы изжарить ее на костре прямо в перьях и съесть, пока родители не видят.

Луки боевые, ростом до пояса, с ними ходят на войну и на охоту.

Луки богатырские, выше человека, из такого не всякий воин выстрелит: если кишка тонка — тетиву не натянешь.

Вождь подал знак — началось состязание. И у каждого лука свой голос прорезался: маленький — звенит, как комар, средний — жужжит, как муха, большой — гудит басом, как шмель.

У шамана тоже голос прорезался, не может шаман без коварных вопросов. Наклонился он к вождю и спрашивает:

— Вождь, а вождь, как ты думаешь, из какого места в луке звук выходит?

Не успел вождь с мыслями собраться, а шаман опять за свое:

— Вождь, а вождь, а почему маленький лук после выстрела зудит, а большой — гудит? И что будет со звуком, если делать луки для комариного племени — все меньше и меньше.
— А что будет, если наоборот, делать луки для великанов — все больше и больше?

Вождь помнил дрожащие стрелы, он уже и рот открыл ответить, но тут раздался ужасный шум. Два самых сильных воина племени несли трофей — Таинственное оружие бледнолицых, всем лукам лук — на нем была не одна тетива, а целых шесть! Два воина поставили таинственное оружие на землю, подошли еще двое со стрелами, вместе они натянули все шесть тетив...

Раздался звук, страшнее которого в племени не слыхивали, все в ужасе попадали на землю... А когда пришли в себя, рядом с таинственным оружием сидел сын вождя, а вокруг него — шайка таких же балбесов. Сын вождя дергал тетивы одну за другой. Каждая
тетива мелодично звенела... Балбесы развесили уши, а у шамана вертелся на языке очередной вопрос:

— Как выходит, что каждая тетива в отдельности звенит, а все вместе они производят душераздирающий звук?

Какие бывают звуки
Звуки делят на мелодичные (музыкальные) и шумы.
Музыкальные звуки отличаются друг от друга частотой: чем больше частота, тем выше звук. Если звук имеет частоту меньше 16 Герц («инфразвук») или больше 20000 Герц («ультразвук»), то никто из людей его не услышит (хотя могут слышать другие живые существа).

147. Пошумелки
Перечислите и опишите все методы, с помощью которых можно производить звук.
П.Л. Капица (Нобелевская премия по физике 1978 г.)

Решение (Александр Кушнер)

НЕ ШУМИТЕ!
А разве мы шумели?
Ну, Андрюша стучал еле-еле
Молотком по железной трубе,
Я тихонько играл на губе,
Восемь пятых размер соблюдая,
Таня хлопала дверью сарая,
Саша камнем водил по стеклу,
Толя бил по кастрюле в углу.
Кирпичом! Но негромко и редко.
«Не шумите!» — сказала соседка,
А никто и не думал шуметь:
Вася пел — ведь нельзя же не петь!
А что голос у Васьки скрипучий
Так на то мы и сгрудились кучей.
Кто стучал, кто гремел, кто гудел,
Чтобы он не стеснялся и пел!..

Посмотрите, в каком диапазоне воспринимают звук животные:

Самый низкий звук, изданный человеком, имеет частоту 43,2 Герц, самый высокий — 2350 Герц.

Шум, хотя он и звучит очень немузыкально, можно считать беспорядочной смесью музыкальных звуков (вообразите сценку «слон играет на рояле»).

148. Две расчески под окном жалобно завыли…
Одной и той же палочкой провели по зубцам редкой и частой расчески. Чем будут отличаться вызванные звуки? Проверьте.

149. «Пилою моя мамочка была»
Чем отличается звучание циркулярной пилы при работе вхолостую и при обработке дерева? Как объяснить это различие?

150.
Запустите «музыкальный волчок». Что происходит? Опишите особенности его звучания. Объясните их.

151.
Чем вызывается звук, который насекомые издают при полете? Как объяснить «звуковой почерк» различных насекомых?

5.4. Украденный голос

Как-то раз вождя разбудили перед рассветом. Дежурная шпионка Пума по кличке «ушки на макушке» промурлыкала, что Главный Барабанщик племени позволяет себе спать на посту, а в доказательство предъявила Главную Колотушку, которую стащила у спящего Барабанщика.

Вождь, не долго думая, приказал Пуме изобразить нападение на пост, а сам залез на дерево, где у него был наблюдательный пункт. Вождь Соколиный Глаз видел все, как на ладони: Главный Барабанщик до пояса высунулся из шалаша, три раза со всего маху опустил кулак на Главный Барабан — совершенно беззвучно — и полез обратно в шалаш — досыпать.

Вождь понял: Главный Барабан потерял голос — не иначе как Духи предков украли его, чтобы наказать Главного Барабанщика за нерадивость.

Тут до вождя донеслись три удара — сигнал тревоги, который должен был подать Главный Барабанщик, если нападут на его пост.

Вождь мог бы поклясться, что слышит удары кулаком по Главному Барабану. Но барабан стоял снаружи, а кулак лежал внутри шалаша вместе с соней — Барабанщиком!

Тут вождю стало любопытно: если Голос Барабана не украли Духи предков, то где этот самый голос шлялся все время, пока его не было слышно?!

Помогите вождю разобраться! А чтобы вам было легче разобраться и растолковать ему в чем дело, проделайте несколько простых опытов.

Опыт 1. Дуэт с роялем

1. Откройте крышку рояля, нажав на правую педаль.
2. Спойте какую-нибудь ноту (можно воспроизвести ее камертоном или звуковым генератором).
3. Кончив петь, прислушайтесь. Что происходит? Почему?

Опыт 2. Дуэт камертонов

1. Расположите два одинаковых камертона разных концах стола.
2. Ударьте по одному камертону, через 1—2 секунды заглушите его. Что происходит? Как бы вы это объяснили?
3. Что будет, если изменить расстояние между камертонами?

Опыт 3. «Астральное каратэ»

1. Возьмите тонкий стеклянный бокал. Слегка щелкните по нему, чтобы он зазвучал. Звучание будет на определенной ноте.
2. Громко пропойте эту ноту (или подберите ее с помощью звукового генератора). Что происходит? Как бы вы это объяснили?

Как передается звук?
Колебания источника (шкуры барабанной, струны, ножки камертона) толкают прилежащий слой воздуха. Этот слой уплотняется, в нем повышается давление, в результате толчок, переданный шкурой воздуху, постепенно дойдет до слоя воздуха, прилежащего к барабанной перепонке уха, перепонка прогнется внутрь.
Тем временем источник отклонится в противоположную сторону, воздух прилежащего слоя займет освободившееся место — в прилежащем слое возникнет разрежение, и оно тоже постепенно дойдет до слоя у барабанной перепонки уха — перепонка прогнется наружу. В результате барабанная перепонка начнет дрожать — звук услышали.

Барабан — источник звукового сигнала, барабанная перепонка — приемник. Между ними в воздухе будет подвижная картина сжатия и разрежения.
Точно так же колебания источника могут передаваться через воду, металл, дерево, землю.
Если представить себе, что кусочки мела, танцующие на барабане, уменьшились и стали пылинками, затем еще уменьшились и стали молекулами — станет понятно, что любое вещество передает звук танцем своих молекул, и каждая молекула танцует потому, что ее толкают соседи — такие же молекулы.

152.
В космосе взорвался космический корабль. Услышат ли звук взрыва на другом корабле?

153.
Самолет летит быстрее звука. Слышен ли пассажиру звук работающих двигателей?

154.
Как на поверхности Земли узнать, в каком месте внутри Земли произошло землетрясение?

155.
На Луне произошел сверхмощный ядерный взрыв. Можно ли услышать его на Земле? На обратной стороне Луны?

156.
Как могли бы «лунатики» переговариваться на Луне?

157. Нужда научит
Великий композитор Бетховен к концу жизни оглох. После этого он время от времени слушал игру на рояле. Как ему это удавалось?

158.
У змей и рыб нет ушей. Как вы думаете, почему?

159. Голос мирового океана
Поднесите к уху большую раковину. Можете ли вы объяснить, почему слышен шум?

160. Будильник под колпаком
Поставьте звенящий будильник под колпак и начните откачивать воздух из-под колпака. Что произойдет? Как это объяснить?

161.
Биологи считают, что животные (и люди) могут заражать друг друга своими чувствами, и это происходит с помощью очень слабых звуков. Как это можно было бы проверить?

162.
Медузы чувствуют шторм за 12 часов до начала, улавливая инфразвук от далекого циклона. Не могли бы вы предположить, какая «конструкция» внутри медузы могла бы это сделать? Нельзя ли, подражая медузе, изготовить такой прибор?

163.
Известно, что в китайских храмах стоял прибор, предсказывающий землетрясения. Как бы он мог быть устроен?

Лабораторная работа «Первобытная звукозапись»

1. Изготовьте по фотографии самодельное приспособление для записи звука. Попробуйте объяснить принцип его работы.
2. Запишите несколько голосов. Чем отличаются голоса друг от друга в записи? Чем они отличались друг от друга при звучании?
3. Попробуйте записать те же голоса с помощью микрофона и осциллографа.
4. Для чего могла бы пригодиться запись голоса?

Лабораторная работа «Самодельная сирена»

1. Возьмите деревянный круг, проделайте в нем отверстия вдоль окружностей разного радиуса через правильные промежутки.
2. Приведите его во вращение, расположив вертикально.
3. Направьте струю воздуха из шланга пылесоса в отверстия каждой из окружностей.
   • Чем будут отличаться звуки?
   • Как сделать звук громче?
   • Выше?
   • Ниже?
4. Можете ли вы объяснить принцип работы сирены?

Лабораторная работа «Спичечный телефон»

1. Изготовьте спичечный телефон из двух спичечных коробок и ниток.
2. Испытайте, на каких расстояниях возможна связь.
3. Что может помешать разговору? Найдите причины и постарайтесь их устранить.
4. Можете ли вы усовершенствовать спичечный телефон простыми средствами?
5. Где может пригодиться спичечный телефон?
6. Как вы думаете, могли бы придумать что-нибудь подобное представители древних цивилизаций: египтяне, греки, индийцы, китайцы, ацтеки? Для чего?

164. Эхо-чемпион
Эхо в районе горного озера Лох-Лайн (Ирландия) откликается на один звук до ста раз. Как бы вы это объяснили?

165. Держи вора!
Чтобы сирена заработала, нужен поток газа или жидкости. Какой поток можно использовать для сирены, сигнализирующей, что автомобиль заводит угонщик?

4. Две стихии