Глава десятая. ЗВУК. ВОЛНООБРАЗНОЕ ДВИЖЕНИЕ (1)

Вам нетрудно будет догадаться о причине, если вы вспомните, что высота тона зависит от числа колебаний в секунду; сопоставьте же это с тем, что вы узнали при обсуждении предыдущей задачи. Свисток встречного паровоза все время испускает один и тот же звук, с определенной частотой. Но ваше ухо воспринимает различное число колебаний в зависимости от того, едете ли вы навстречу, стоите ли вы на месте или удаляетесь от источника колебаний.

И подобно тому как по пути в Москву вы читаете ежедневную газету чаще раза в день, так и здесь, приближаясь к источнику звука, вы улавливаете колебания чаще, чем они исходят из свистка локомотива. Но здесь вы уже не рассуждаете: ваше ухо получает увеличенное число колебаний, — и вы непосредственно слышите повышенный тон. Удаляясь, вы получаете меньшее число колебаний — и слышите пониженный тон.

Если это объяснение не окончательно убедило вас, попробуйте непосредственно проследить (конечно, мысленно) за тем, как распространяются звуковые волны от свистка паровоза. Рассмотрите сначала неподвижный паровоз (рис. 154). Свисток производит воздушные волны, и мы рассмотрим для простоты только четыре волны (см. верхнюю волнистую линию): от неподвижного паровоза они успеют распространиться в какой-нибудь промежуток времени на одно и то же расстояние по всем направлениям. Волна № 0 дойдет до наблюдателя А через столько же времени, как и до наблюдателя В; затем до обоих наблюдателей одновременно дойдет волна № 1, № 2, потом № 3 и т. д. Уши обоих наблюдателей в секунду получают одинаковое число толчков, и потому оба услышат один и тот же тон.

Другое дело, если свистящий паровоз движется от В к А (нижняя волнистая линия). Пусть в некоторый момент свисток находится в точке С', а за время, когда он испустил четыре волны, он уже успел дойти до точки D.

Теперь сравните, как будут распространяться звуковые волны. Волна № 0, вышедшая из точки С', дойдет одновременно до обоих наблюдателей А' и В'. Но четвертая волна, образовавшаяся в точке D, дойдет до них уже не одновременно; путь DA' меньше пути DB', и следовательно, к А' она дойдет раньше, чем к В'. Промежуточные волны — № 1 и № 2 — также придут в В' позже, чем в А', но промедление будет меньшее. Что же получается? Наблюдатель в точке А' будет чаще воспринимать звуковые волны, нежели наблюдатель в точке В': первый услышит более высокий тон, нежели второй. Вместе с тем, как легко видеть из чертежа, длина волн, бегущих в направлении к точке А', будет соответственно короче волн, идущих к В'[81].

Рисунок 154. Задача о паровозных свистках. Вверху — звуковые волны, испускаемые неподвижным паровозом, внизу — движущимся.

Явление Доплера

Явление, которое мы только что описали, открыто было физиком Доплером и навсегда осталось связанным с именем этого ученого. Оно наблюдается не только для звука, но и для световых явлений, потому что свет тоже распространяется волнами. Учащение волн (воспринимаемое в случае звуковых волн как повышение тона) воспринимается глазом как изменение цвета.

Правило Доплера дает астрономам чудесную возможность не только выяснить, приближается ли звезда к нам или удаляется, но позволяет даже измерить скорость этого перемещения.

Помощь астроному оказывает при этом боковое смещение темных линий, прорезывающих полосу спектра. Внимательное изучение того, в какую сторону и насколько сдвинулись темные линии в спектре небесного светила, позволило астрономам сделать целый ряд изумительных открытий. Так, благодаря явлению Доплера мы знаем теперь, что яркая звезда Сириус каждую секунду удаляется от нас на 75 км. Эта звезда находится от нас на таком неимоверно огромном расстоянии, что удаление даже на миллиарды километров не изменяет заметно ее видимой яркости. Мы, вероятно, никогда не узнали бы о движении этого светила, если бы нам не помогло явление Доплера.

С поразительной наглядностью сказывается на этом примере то, что физика есть наука поистине всеобъемлющая. Установив закон для звуковых волн, достигающих в длину нескольких метров, она применяет его к исчезающе маленьким световым волнам, длиной всего в несколько десятитысячных долей миллиметра, и пользуется этим знанием, чтобы измерять стремительные движения гигантских солнц в неимоверных далях мироздания.

История одного штрафа

Когда Доплер впервые (в 1842 г.) пришел к мысли, что взаимное сближение или удаление наблюдателя и источника звука или света должно сопровождаться изменением длины воспринимаемых звуковых или световых волн, он высказал смелое соображение, что именно в этом кроется причина окраски звезд. Все звезды, думал он, сами по себе белого цвета; кажутся же многие из них окрашенными потому, что они быстро движутся по отношению к нам. Быстро приближающиеся белые звезды посылают земному наблюдателю укороченные световые волны, порождающие ощущение зеленого, голубого или фиолетового цветов; напротив, быстро удаляющиеся белые звезды кажутся нам желтыми или красными.

Это была оригинальная, но безусловно ошибочная мысль. Для того чтобы глаз мог заметить изменение окраски звезд, обусловленное движением, надо было бы прежде всего наделить звезды огромными скоростями — порядка десятков тысяч километров в секунду. Но и это оказалось бы недостаточным: дело в том, что одновременно с превращением, например, голубых лучей приближающейся белой звезды в фиолетовые лучи зеленые превращаются в голубые, место ультрафиолетовых заступают фиолетовые, красных — инфракрасные; словом, составные части белого света остаются в наличности, так что, несмотря на общий сдвиг всех цветов спектра, глаз не должен был бы заметить никакого изменения общей окраски.

Другое дело — сдвиг темных линий в спектре звезд, движущихся по отношению к наблюдателю: эти перемещения хорошо улавливаются точными инструментами и позволяют определять скорость движения звезд по лучу зрения. (Хороший спектроскоп устанавливает скорость звезды, равную даже 1 км в секунду.)

Заблуждение Доплера вспомнилось знаменитому физику Роберту Вуду, когда полисмен готовился однажды оштрафовать его за то, что он не остановил своего быстро мчавшегося автомобиля, несмотря на красный сигнал. Вуд, как рассказывают, стал тогда уверять блюстителя порядка, что при быстрой езде навстречу сигналу красный цвет воспринимается как зеленый. Будь полисмен сведущ в физике, он мог бы рассчитать, что для оправдания слов ученого автомобиль должен был мчаться с совершенно невероятной скоростью 135 млн. км в час. [74] Многие современные самолеты имеют скорость, намного превышающую скорость звука. (Прим. ред.). [75] Строго говоря, это не вполне верно: мы произносим в один прием не отдельные буквы, а целые слоги. Фраза будет слышна приблизительно так: я ди-су м-чо-мес ду-и-я. [76] Автор но учитывает затухания звуковых колебаний с расстоянием, что в действительности помешает вам вести разговор, так как на другом конце такой трубы вас не услышат. (Прим. ред.). [77] Это свойство кристаллов называется пьезоэлектричеством. [78] Кристаллы кварца являются дорогим и маломощным источником ультразвука и применяются чаще в лаборатории. Техническое применение нашли искусственные синтетические материалы, например керамика титаната бария. (Прим, ред.). [79] Метод ультразвуковой дефектоскопии (обнаружение недостатков) был предложен в 1928 г. советским ученым С. Я. Соколовым. Сейчас применяются специальные приемники ультразвуковых колебаний, которые заменяют масло и делают измерения более простыми. (Прим. ред.). [80] Интересно отметить, что ультразвук встречается и в природе. В шуме ветра и морского прибоя есть частоты, соответствующие области ультразвука. Способностью излучать и принимать ультразвук обладают многие живые существа (бабочки, цикады и др.). Летучие мыши пользуются ультразвуком в полете, узнавая по отраженным сигналам о препятствиях на своем пути. (Прим. ред.). [81] Необходимо иметь в виду, что волнообразные линии на рисунке вовсе не изображают формы, звуковых волн: колебание частиц в воздухе происходит вдоль направления звука, а не поперек. Волны изображены здесь поперечными только ради наглядности, и горб такой волны соответствует наибольшему сжатию в продольной звуковой волне.
[1] [2] [3] [4]