ОТВЕТ • Когда полоска ткани резко натягивается, она мгновенно начинает колебаться, как натянутая гитарная струна, создавая в окружающем воздухе перепады давления. Эти колебания давления распространяются вокруг в виде звуковых волн. Это и есть щелчок, который вы слышите. Как и в случае с гитарной струной, частота звука зависит от длины полоски колеблющейся материи. В более короткой полоске возбуждается звук на более высокой частоте.

Если вы хлопнете в ладоши вблизи одного конца водоотводной трубы, вблизи противоположного конца вы услышите звук «вжик» — своеобразное эхо, которое начинается на самой высокой частоте и быстро опускается до самой низкой. Это особое эхо прозвали пением труб. Пение трубы вы можете услышать и если кто-то хлопнет в ладоши у дальнего от вас конца трубы. Похожее эхо иногда возникает на корте для ракетбола[55], но там частота со временем увеличивается, а не уменьшается. Чем вызвано такое певучее эхо? И чем именно вызвано изменение частоты?

ОТВЕТ • Звук «вжик», образованный эхом в трубе и прозванный пением труб, можно услышать в разных трубах, в том числе достаточно коротких. Это происходит благодаря резонансу, когда волны усиливают друг друга. Здесь мы ограничимся простым объяснением этого явления. Допустим, ваш приятель хлопнул в ладоши почти в центре одного из отверстий трубы некоторой длины. Этим он послал в трубу звуковой импульс, который отражается от стенок и распространяется вдоль трубы по разным путям. Например, он может один-единственный раз отразиться в точке, расположенной посередине.

Если количество отражений больше одного, звук вдоль трубы идет различными зигзагообразными путями и, следовательно, медленнее. Поэтому сначала мы слышим эхо, полученное в результате одного отражения, потом — в результате двух отражений и так далее. Частота звука, которую мы воспринимаем, — это частота, с которой звук эха приходит в наше ухо. При каждом отражении часть энергии волны поглощается и переходит в тепло, причем высокие частоты поглощаются лучше. Поэтому приходящие позже, после многократных отражений, волны лишены высокочастотных составляющих и воспринимаются как низкочастотный звук.

То же самое происходит, когда вы слушаете эхо своего собственного хлопка в ладоши. Однако в этом случае звук должен поменять свое направление на дальнем конце трубы. Такое происходит и если конец трубы закрыт (запаян или закрыт крышкой), и когда он открыт. В последнем случае это выглядит странно, но это так: когда волна доходит до открытого конца трубы, резкий переход к открытому пространству приводит к тому, что часть звука отражается от этой точки и идет обратно в трубу. Мы говорим в этом случае о том, что звук отражается от открытого конца. Заметим, что в некоторых музыкальных инструментах это отверстие специально развальцовано, чтобы уменьшить эти отражения и побольше звука выпустить наружу — напрямую к слушателям или через микрофон.

Когда мяч для ракетбола скользит по стене или полу корта, скольжение происходит рывками, из-за чего мяч начинает колебаться. Колебания приводят к колебаниям давления воздуха, и они распространяются от мяча в стороны в виде звуковых волн, то есть визга или писка. Поскольку твердая поверхность стен и пола хорошо отражает звук, вы слышите не только звук, приходящий к вам непосредственно от мяча, но и громкие отражения от разных поверхностей. В реальности звук отражается много раз от разных поверхностей корта (за исключением тех случаев, когда значительная часть задней стенки открыта для зрителей), и тогда можно услышать эхо, которое длится иногда 1–2 секунды. Скорость мяча со временем падает, и это, возможно, изменяет частоту рывков, а значит, и частоту звука, который вы слышите.

Привяжем один конец пружинки слинки (см. задачу 1.65) к стенке и отправим свободный ее конец спускаться от стенки по ступенькам. Когда она растянется, ударим по пружинке карандашом и прислушаемся к звуку, издаваемому свободным концом. Мы услышим свистящее эхо: сначала эхо от свободного конца звучит на высокой частоте, но частота быстро упадет до низкой частоты. Что вызывает свист?

ОТВЕТ • Постучав по слинки, вы отправите по проволочке поперечные волны, то есть волны, при которых проволочка будет колебаться в перпендикулярном по отношению к ее длине направлении (в отличие от продольных волн, при которых проволочка колеблется вдоль длины проволочки). Скорость распространения поперечной волны зависит от частоты волны: более высокочастотные волны бегут быстрее низкочастотных. Когда вы постукиваете по проволочке, вы посылаете волны с широким спектром частот. Когда волны добираются до дальнего конца слинки, они отражаются и возвращаются к вам, причем сначала к вам приходит волна с наибольшей частотой, а волна с самой низкой частотой приходит последней. То, что проволочка свернута в спираль, похоже, не имеет значения.

Исторические исследования районов вечной мерзлоты Северной Америки и России содержат описания загадочных звуков, напоминающих выстрелы из винтовки. В одном описании говорится о том, что североамериканские олени не обращают внимания на реальные ружейные выстрелы, поскольку привыкли к подобным звукам. Что вызывает такие звуки?

ОТВЕТ • В районах вечной мерзлоты в грунт вкраплены области, где ледяные клинья уходят в мерзлые породы. В этом льду имеются многочисленные дефекты вроде вкраплений воздушных пузырьков, которые уменьшают его прочность. Когда температура резко падает, из-за возникающих при этом механических напряжений (их иногда называют термическими напряжениями) лед трескается и внезапный разрыв материала влечет возникновение в нем колебаний. Эти колебания передаются в воздух и распространяются прочь от бегущей трещины в виде звуковых волн, похожих на звук ружейного выстрела.

Можно ли услышать полярное сияние — эту великолепную феерию света, которую наблюдают в небе в высоких широтах? По сообщениям очевидцев, одновременно с полярным сиянием они слышали звуки, похожие на треск и свист. Можно ли услышать шум от полета сгорающего в небе метеора? Некоторые наблюдатели утверждают, что они могут услышать полет метеора перед тем, как увидят его, или сразу после того, как он появился в поле зрения. Все это выглядит странно, поскольку метеоры сгорают на большой высоте. Звуковой удар действительно иногда можно услышать, но в этом ничего необычного нет, поскольку он слышен уже после того, как метеор пролетел. Ну а если метеор сгорает достаточно долго и падает где-то рядом с вами или прямо на вас, то в том, что звук от его падения слышен, также нет ничего удивительного.

ОТВЕТ • Сопровождающий северное сияние инфразвук регистрировали уже давно, а вот звук в диапазоне слышимости человека до сих пор надежно не зафиксирован. Трудно поверить, что звуковая волна этого диапазона может пройти через более чем 100 км атмосферы и все еще оставаться достаточно мощной. Тем не менее многие люди сообщали о шуме, который совпадал по времени с северным сиянием. Некоторые из этих сообщений могли быть ошибочными. Например, если пристально вглядываться в изображение метеора на экране, шум вокруг можно принять за звук летящего метеора. (Иногда люди видели связь между полетом и звуком, а ее на самом деле не было.) Также неправильная интерпретация могла возникнуть из-за того, что при очень низких температурах (ниже ‒40°C) водяной пар в выдыхаемом наблюдателем воздухе мог замерзнуть и ледяные капельки, падая на землю, издавали легкий звон или стук. Однако некоторые сообщения могли бы оказаться реальными, если была бы показана связь между северным сиянием и электрическим полем на земле. Тогда, возможно, электрическое поле могло бы создать электрические разряды на ветках кустов или концах металлических прутьев. В этом случае на подобных остроконечных выступах мог возникнуть электрический разряд, при котором тоже возникает звук.