Звук — редчайшее физическое явление

Коллаж / pixabay

Несмотря на то, что 90% информации об окружающем мире человек получает визуально, звук остается одним из важнейших каналов коммуникации. Привычные нам крики детей, грохот водопадов и басы в наушниках в масштабах Вселенной, между прочим, большая редкость!

Что такое звук?

Звук — это колебание, которое распространяется в какой-то среде в виде механической волны. Это сгущение и разрежение молекул в упругой или звукопроводящей среде, которой может быть все: газы, жидкости и даже твердые тела. Иными словами, источник звука толкает окружающие его молекулки и пошло-поехало! Те толкают следующие, следующие, следующие... И эти колеблющиеся ниточки летят от источника во все стороны.

В отличие от электромагнитных или гравитационных волн звук может распространяться только в сплошной упругой среде.

Скорость звука зависит от плотности и упругости той или иной среды. Звук распространяется быстрее всего в твердых телах, медленнее в жидкостях и еще медленнее в газах. Это объясняется тем, что в твердых телах молекулки упакованы максимально плотно, а, значит, они сообщают друг другу колебание гораздо быстрее.

Скорость распространения звука в воздухе — 330 метров в секунду.

Звуковая волна — это картина возмущения, вызванного энергией, распространяющейся от источника звука. Звуковые волны — продольные. Это означает, что распространение вибрации частиц параллельно направлению распространения энергетической волны. Когда атомы находятся в состоянии вибрации, они движутся вперед и назад. Это непрерывное движение приводит к образованию областей высокого и низкого давления в среде. Эти области называются сжатиями и разрежениями.Они мигрируют в окружающую среду, в результате чего звуковые волны могут перемещаться из одной среды в другую.

Акустика — это раздел физики, изучающий поведение звуковых волн и их взаимодействия с различными средами.

pixabay

Как определить расстояние до эпицентра грозы?

Вот вы увидели вспышку молнии, а после услышали раскат грома. Скорость света значительно выше скорости звука, а, значит, гром отстает от своей сестрицы-молнии. Посчитайте количество секунд от световой вспышки до первого раската грома и умножьте их на 330. Вуаля! Вы получите примерное расстояние в метрах до центра бушующей стихии. Это может оказаться очень полезным, если непогода застала вас врасплох, например, во время похода.

Как распространяется звук?

Рассмотрим это на простом явлении — на примере человеческого голоса.

Мы напрягаем наши голосовые связки, они начинают колебаться и толкают молекулы воздуха вокруг себя. Те толкают следующие, следующие... И вот эта толкучка доходит до уха нашего собеседника, а тут уже начинает колебаться его барабанная перепонка. Они принимает полученное колебание, и срабатывают слуховые анализаторы. Они преобразовывают колебание в электрический нервный импульс. Поэтому грамотнее будет сказать, что слышим мы мозгом, а не ухом.

Какие звуки слышит человек?

Человек способен расслышать только определенный участок акустического спектра.

Диапазон частот слышимого человеком звука — от 20 Гц до 20 кГц. Это соответствует 20–20 000 колебаний в секунду.

Если молекулки будут дрожать слишком медленно, то такой звук попадет за нижнюю границу спектра. Это — инфразвук. Вещества его почти не поглощают, поэтому он может распространяться даже на очень большие расстояния. Среди естественных источников инфразвука — шум атмосферы, деревьев в лесу, ураганы, бури и некоторые виды землетрясений.

Инфразвук может помочь предсказать шторм

«Голос моря» — это инфразвуковые волны. Они возникают над поверхностью моря из-за образования завихрений за гребнями волн во время сильного ветра. Из-за низкого затухания «голос моря» может распространиться на очень большое расстояние за сравнительно малое время. Такой звук — предвестник сильного шторма.

Этой физической фичей пользуются и некоторые животные: медузы слышат шторм примерно за сутки до его приближения к берегу и заранее погружаются в нижние слои воды.

А если молекулы колеблются слишком быстро, то такой звук выпадает за верхнюю границу и считается ультразвуком. Технологию ультразвукового исследования человеческие врачи подсмотрели у животных: они создают и воспринимают ультразвук с помощью специальных рецепторов, что помогает им ориентироваться в пространстве. Ультразвуковые колебания отражаются от предметов и создают животному своеобразную карту препятствий.

Генерировать ультразвук могут не только кузнечики, сверчки и дельфины. Такие колебания еще порождают ветер, море, водопады и даже некоторые двигатели и производственные станки.

Unsplash

Звук — редчайшее физическое явление

Как уже говорилось выше, главное условие существования звука — это хоть сколько-нибудь упругая среда: молекулы должны быть достаточно близко друг к другу, чтобы смочь сообщить колебание. А в космическом пространстве царит пустота, а, значит, и кромешная тишина. Молекулы там расположены настолько далеко, что атом водорода сталкивается с другим атомом примерно один раз в несколько миллиардов секунд. Это слишком далеко, чтобы создать звуковую волну.

Наиболее близкие к земным акустические условия можно наблюдать только на Титане — крупнейшем спутнике Сатурна. Давление его атмосферы всего лишь в полтора раза больше нашего, а сама она на 98% состоит из азота. Но, как говорится, есть нюанс — температура воздуха там обычно не превышает -180°C. Однако если отчаянный астронавт сделает вдох этого «титанического» воздуха, то он сможет нормально говорить и даже услышит почти то же, что и на Земле. Небольшая разница будет в тоне — из-за более плотных газов звук будет немного ниже.