Полено, плавающее плашмя, находится в устойчивом равновесии, или, как говорят судостроители, обладает остойчивостью. Остойчивость должна быть и у корабля.
На рисунке 10 слева схематически изображен корабль, который от качки и от ветра накренился. Величина выталкивающей силы при этом не изменилась, так как объем погруженной части у правого борта корабля увеличился настолько же,
насколько уменьшился слева от осевой линии. Правая часть корабля вытесняет больше воды, чем левая, значит, и центр тяжести вытесненного объема жидкости тоже переместился вправо от осевой линии. Оказывается, центр давления «путешествует»! Только это и создает устойчивость. На рисунке видно, что вес и выталкивающая сила образуют пару сил, которая стремится вернуть корабль в положение устойчивого равновесия. Игла, точка опоры которой ниже центра тяжести, не может стоять на зеркале вертикально.
Вы, наверное, замечали, как изменяется звук сирены электропоезда, когда тот проносится мимо платформы, на которой вы стоите. Когда поезд приближается, тон сирены высокий и тревожный; когда же поезд пронесется мимо, ее звук резко меняется: становится более низким, как бы успокаивающим. Сирена создает в воздухе одинаковое количество колебаний и при приближении поезда, и при его удалении, скажем 100 гц. Но, приближаясь к вашему уху, она как бы догоняет свой звук, а удаляясь, как бы «увозит» его с собой.
Скорость звука — 340 м/сек, скорость поезда примем для простоты расчета в 34 м/сек. Предположим, что сирена, приближаясь к вам, гудит 1 сек, за это время она возбудит 100 колебаний; если бы поезд не двигался, вы услышали бы звук с частотой в 100 гц. Но поезд приближается. Допустим, что сирена начала гудеть за 340 м до платформы. Первое из ее колебаний ваш слух уловит ровно через секунду. Но она гудит-то всего 1 сев, и за эту секунду поезд промчится 34 м. Последнее колебание произойдет в 306 м от вас, и вы его 306 услышите через =306/340 сек, т. е. через 0,9 сек. Со времени, когда вы услышали первое колебание, прошло всего 0,9 сек, так как сирена перестала гудеть, когда вы услышали ее первое колебание.
Когда речной буксир тянет баржу, видно и на глаз, что он намного больше ее. Но моряки определяют размеры судна точной цифрой: не длиной и шириной, а водоизмещением. Если водоизмещение судна 5 тыс. т, это значит, что столько весит вытесненная им вода, когда оно нагружено до нормы. Вес корабля с грузом также равен в этом случае 5 тыс. т — ведь когда тело плавает, его вес равен весу вытесненной жидкости. На обшивке судна обычно делают отметку, соответствующую его погружению при полной нагрузке. Но если корабль перейдет из одного океана в другой, где вода более соленая, уровень его погружения станет меньше. Водоизмещение, равное весу судна, при этом, понятно, не изменится, но глубина погружения станет меньше. На обшивке судна поэтому делают не одну, а несколько отметок в зависимости от солености воды в различных морях.
Чем больше водоизмещение корабля, тем больше груза он может взять на борт. Водоизмещение в современном судостроении непрерывно увеличивается: у советского танкера «София» водоизмещение 62500 т, в Японии строится танкер «Ниссо мару» водоизмещением в 132 000 т! Это примерно в три раза больше, чем водоизмещение каждого из таких гигантов Атлантики, как «Иль-де-Франс» (45 000 т), «Нормандия» (46 000 т), и почти в два раза больше водоизмещения «Куин Мери» (81 000 т).
Чтобы раскачать качели, надо их подталкивать в такт с их движением. Если толкать как попало — не в такт, — сильно раскачать не удастся. То же самое происходит с любыми колебаниями, например со звуковыми волнами, с волнами на воде.
Неподалеку друг от друга поставлены два камертона, настроенные на одну и ту же частоту колебания. Если один из камертонов заставить звучать, его звуковая волна раскачает и другой камертон. Это явление называется резонансом. Прекратив звучание первого камертона, вы можете услышать, что второй некоторое время продолжает звучать. Но камертон, настроенный на другую волну, не отзовется на звучание первого, не будет резонировать.Резонанс широко используется в акустике. Дека рояля, корпус скрипки, раструб валторны, радиорупор — все это резонаторы. Звук одной только скрипичной струны не слышен будет в концертном зале, его во много раз усиливает резонатор — корпус скрипки. Как резонатор действует и сам концертный зал.
В музыкальных произведениях — симфониях, концертах, сонатах — одновременно звучит не один тон, а несколько, и каждый из них сопровождается своими обертонами. Такое явление называется созвучием.Самое простое созвучие — одновременное звучание двух тонов. У каждого из них своя частота колебаний. Отношение двух таких частот называют интервалом. Если это отношение равно 1:1, интервал будет унисоном. Отношение 1:2 — октава, 2:3— квинта, 3:4— кварта, 4:5 — большая терция, 5:6 — малая терция.
Если частоты двух тонов очень мало отличаются друг от друга, их совместное звучание создает своеобразное завывание — «биение»: совместное звучание периодически то усиливается, то ослабляется. Количество усилений в одну секунду называют частотой биений. Если частота биений не больше четырех в секунду, они не мешают слуховому восприятию. Если же частота достигает трех десятков (и особенно тридцати трех), звуковое ощущение нестерпимо. Однако при большой частоте (около 130 в секунду) влияние биений на ощущение слуха исчезает.
При звучании струн скрипки, виолончели, рояля всегда слышны, кроме основного тона, верхние обертоны. Предположим, что одновременно звучат две струны, их основные частоты— 200 и 400 гц и у каждой струны 5 обертонов.
Чтобы излучатель мог создавать упругие волны ультразвука, частота его колебаний должна превышать 20 000 гц. Такие излучатели открыты уже давно, но применяться стали совсем недавно. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри исследовали свойства кристаллов. Они заметили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на его гранях,перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани — положительные, на другой — отрицательные. Таким же свойством обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, даже сахара. Заряды на гранях кристалла возникают и при его растяжении. Но на грани, дававшей при сжатии положительный заряд, при растяжении будет отрицательный, и наоборот.
Такое возникновение электрических зарядов на кристаллах было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова «пьезо» — давлю). Кристалл, имеющий такое свойство, называют пьезоэлектриком. В дальнейшем братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим: если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, он либо сожмется, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный и к какой отрицательный заряд.
Пьезоэлектричество впервые было практически применено лишь в мировой войне 1914— 1918 гг. Французский ученый Поль Ланжевен предложил использовать это явление, чтобы обнаруживать подводные лодки. Винт лодки порождает при своем вращении упругие волны. Они распространяются в воде со скоростью 1460 м/сек. Если пьезоэлектрический кристалл, опущенный в воду, окажется на пути ультразвуковой волны, то волна сожмет его грани и на них появятся электрические заряды.
Читая книгу вслух, мы воспринимаем не голос автора, а только смысл его речи, воспроизводим его мысли. Нотная запись подобна словам, изображенным буквами, вернее, подобна фонетической транскрипции, которая применяется при изучении иностранных языков.
Ученые очень давно искали способы записывать живую человеческую речь и не читаемую, а слышимую музыку. Одновременно шли поиски передачи звуков за пределы прямой слышимости.
Оптический телеграф, передающий на такие расстояния запись слов, был изобретен еще в конце XVIII в. В 1832 г. впервые публично демонстрировался действующий электрический телеграф.
К 1855 г. относятся первые попытки передачи изображений по телеграфу. А непосредственные передача и запись звуков стали возможными только в последней четверти прошлого столетия. Первым предложил наиболее простой способ передачи звуков с помощью электромагнитной индукции американский физик А. Белл. Его изобретение — телефон — было зарегистрировано в 1876 г.
Намотав изолированную проволоку на железный сердечник и поднеся к такой катушке камертон, Белл обнаружил, что в проволоке возникает переменный ток. Это происходит потому, что колеблющаяся ножка камертона изменяет магнитное поле сердечника. Белл соединил концы обмоток у двух таких катушек и установил на обоих сердечниках по камертону. Когда один из камертонов возбуждал в своей катушке ток, намагничивался сердечник и в другой катушке. Изменения тока во втором сердечнике заставляли звучать и второй камертон. Но вначале прибор Белла воспроизводил звуки очень неясно. Они были похожи на жужжание. Для улучшения звука Белл воспользовался открытием немецкого физика Хладни, изучавшего колебания пластин.
Повторяя опыты Хладни, Белл заметил, что пластина отзывается и на человеческий голос. Тогда он поместил в своем приборе у сердечников не камертоны, а пластины.
Звуковая или ультразвуковая волна, распространяясь в веществе, вызывает колебания его частиц. Амплитуда колебаний зависит от силы звука — чем больше сила звука, тем больше амплитуда смещения частиц. Частицы веществ, подвергнутых действию звукового поля большой силы, интенсивно колеблются. Если подвергнуть действию мощного ультразвука две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, то на границе взаимного соприкосновения они начинают интенсивно перемешиваться, как бы проникая друг в друга. При этом образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капелек масла, распределенных в воде. Так получают, например, различные лекарства, а в пищевой промышленности — маргарин, майонез, различные соусы и т. п.
Используется ультразвук и при изготовлении светочувствительных эмульсий для фотопленки и фотобумаги. Он раздробляет зерна бромистого серебра и перемешивает их в каком-либо коллоиде, например в желатине. Чем мельче получаются зерна, тем большее увеличение допускает фотоснимок.
В других случаях ультразвук используют не для раздробления, а чтобы заставить слипнуться мельчайшие частицы, засоряющие жидкость или газ. Это возможно в том случае, если слипшиеся частицы не разрушаются в том же звуковом поле. Если воздух, в котором много пыли — твердых частиц, взвешенных в воздухе (сажи, цемента, золы и т. п.),— подвергнуть мощному воздействию ультразвука (с интенсивностью 0,2—0,5 вт/см2), мельчайшие твердые частички слипаются друг с другом так прочно, что тот же ультразвук не может преодолеть силы их молекулярного взаимодействия. Образуются крупные частицы, которые уже легко улавливаются фильтрами или просто оседают под действием силы тяжести. Если сфокусированный вогнутым излучателем пучок ультразвуковых волн с частотой от 0,8 до 2 Мгц направить из жидкости вверх, произойдет интересное явление. Мы уже знаем, звуковые волны не могут перейти из более плотной среды (воды) в менее плотную (воздух) — они полностью отразятся от поверхности раздела. При отражении поверхность воды будет испытывать давление. Стена, например, тоже, отражая мяч, испытывает давление. Возникает так называемое давление звукового излучения (не смешивать со звуковым давлением). Оно в сотни и тысячи раз меньше звукового давления, и природа его совершенно другая. Звуковое давление изменяется в каждой точке и распространяется радиально; давление звукового излучения всегда действует в одну сторону, и величина его неизменна, если не меняется сила звука. Давление излучения звука образует на поверхности жидкости своеобразный холм или горб высотой до 50 см (при помощи ультразвука интенсивностью в 50 вт/см2). При этом некоторые жидкости интенсивно распыляются, образуя плотное облако тумана. Жидкость будто кипит. Сущность этого явления очень сложна и связана с образованием капиллярных волн на поверхности жидкости; они подобны морским волнам, только размеры их в миллионы раз меньше — доли микрона. Из гребней этих волн и образуются мельчайшие частички «ультразвукового тумана».
Если бетон при укладке не был достаточно уплотнен, в нем образуются воздушные полости. А такая полость, например, в бетонном теле плотины очень опасна. Качество некоторых бетонных сооружений тщательно проверяется ультразвуковым дефектоскопом. Он своевременно обнаружит и размеры, и глубину залегания воздушных полостей.
На крупном строительстве, например при постройке гидроэлектростанции, укладывают сотни тысяч кубометров бетона. Его качество непрерывно контролируется. И в этом ультразвук незаменим. Бетон приобретает прочность не сразу. При укладке он жидкий, затем «созревает» — твердеет — и превращается в прочный массив. На разных стадиях созревания бетона ультразвук проходит через него с различной скоростью. Специальным аппаратом можно измерить эту скорость и таким образом следить за качеством бетона в процессе строительства.
Важную роль играет ультразвук в производстве цемента, асбеста и строительных материалов. Качество этих материалов зависит от размера их зерен. Обычно на цементных заводах применяют механический размол. Но если дробить цемент или асбест ультразвуком с частотой 450 кгц, размер частиц уменьшается до 12 мк. Такой тонкий размол благоприятно сказывается на качестве сооружений и изделий из цемента и асбеста.
Ультразвук может резать не только стекло и металлы, но и живую ткань. Обычно при хирургической ампутации руки или ноги врач работает скальпелем и пилой. Но их можно заменить ультразвуковым лучом. Такая операция проходит быстрее, и ткани тела заживляются после нее значительно лучше. С помощью ультразвукового луча можно исследовать расположение внутренних опухолей. В огрубевших от опухолей тканях скорость ультразвуковой волны иная, чем в здоровых. Измеряя скорости прохождения ультразвука через тело,
можно очень точно определить границы опухоли. Особенно успешно такие исследования проводятся в коре головного мозга.
Ультразвук обладает способностью разрушать живые ткани. Первыми его жертвами были рыбы, убитые и оглушенные ультразвуком, когда Ланжевен и Вуд испытывали эхолоты в бухте Тулона. Обитающие в воде микробы при облучении их ультразвуком погибают, ультразвуковые колебания их прямо-таки разрывают на части: разрушается оболочка их клетки, да и само внутриклеточное вещество. Поэтому ультразвуком можно обеззараживать воду.
Ультразвук применяют в медицине, чтобы разрушить, например, клетки раковых опухолей или камни в печени. Успешно разрабатывается совершенно безболезненное лечение зубов с помощью ультразвука.
Акустика — не завершенная наука, ведь завершенных наук не существует. В ней много важных и еще не решенных проблем и даже загадочных... О некоторых мы вам рассказали, с другими столкнется тот из вас, кто в будущем выберет себе увлекательную специальность физика-акустика.