Во все уши. Про многозадачный орган, благодаря которому мы слышим, сохраняем рассудок и держим равновесие

Вообще, они для нас, конечно, ни на что не похожи, ведь наши глаза не могут их различить. Чтобы получить наглядное представление о том, что такое звуковые волны и как они распространяются, придется покинуть мир видимого. Предположим, вы хлопаете в ладоши, а мы увеличиваем это движение с помощью гигантского микроскопа. Тогда мы смогли бы увидеть, что пространство между ладонями и вокруг него вовсе не пустое. Там носятся миллионы молекул воздуха. Для простоты на мгновение представим их в виде маленьких синих шариков (даже если какой-нибудь специалист по физике элементарных частиц, услышав такое сравнение, начнет рвать на себе волосы). До того, как ваши руки приходят в движение, эти шарики парят между ними, равномерно распределившись в пространстве. Через наш микроскоп мы можем наблюдать все, как в замедленной съемке: ладони медленно двигаются навстречу друг другу и сильнее сдвигают шарики. Синий цвет сгущается между руками, так как все больше молекул воздуха сталкиваются друг с другом. Затем ладони встречаются, и в этот момент раздается звук хлопка. По логике вещей, когда руки соприкасаются, между ними едва ли остается место для синих молекул воздуха. Они резко выдавливаются по бокам. Молекулы толкают соседние молекулы, которые также врезаются в соседей и приводят их в движение. Поскольку частицы не всегда отлетают прямо вперед, но и смещаются в стороны, рикошеты образуют замкнутую сферу вокруг ваших рук. Это достойно стоп-кадра. Итак, пауза!

Мы плавно приближаем внутренность сферы и обнаруживаем, что здесь молекулы снова распределились равномерно, как до хлопка в ладоши. Таким образом, плотная синяя стенка сферы имеет определенную толщину, и это сгущение всегда передается соседним группам молекул. Шарики толкают шарики, словно опрокидывающие друг друга костяшки домино. Отличие от домино в том, что молекулы сами возвращаются к первоначальному расстоянию друг от друга, а костяшки просто остаются лежать. Конечно, в итоге ни одна молекула не оказывается именно в том месте, где была раньше, но дистанция между ними сохраняется такой же, как и прежде. Потому что частицы в состоянии покоя отталкиваются друг от друга и удерживаются на расстоянии.

Давайте продолжим смотреть фильм в замедленной съемке. Сфера расширяется и становится все больше, распространяясь на всю комнату, и ее часть проникает в ваши слуховые проходы. Как только молекулы воздуха достигают барабанной перепонки, эта крошечная пленочка начинает вибрировать. Это позволяет услышать хлопок после его преобразования в среднем и внутреннем ухе.

Теперь подведем итог тому, что мы узнали о распространении звуковых волн при хлопке:

• состоят из молекул воздуха, которые толкают друг друга подобно костяшкам домино;

• распространяются сферически вокруг источника звука;

• стенка звуковой сферы состоит из прижатых друг к другу молекул воздуха, в то время как внутри нее преобладает первоначальная плотность воздуха;

• звуковые волны – это не что иное, как систематическое изменение давления воздуха, которое распространяется в пространстве.

Акустический концерт, акт второй: о волнах, которые на самом деле представляют собой луковицы

Большинство шумов сложнее, чем простой хлопок. В отличие от упомянутого в начале Большого взрыва, они на самом деле представляют собой взрыв, то есть резкое изменение плотности воздуха. Это довольно громкий, но очень короткий звук.

Как выглядит звуковая волна при более длительном звучании? Например, в случае свиста или работающего двигателя?

Для нашего микроскопа подойдет пример звенящего бокала для вина. Если ударить по бокалу ложкой, он завибрирует, сталкиваясь при этом с окружающими молекулами воздуха. Здесь движение снова распространяется сферически, но вместо одной сферы в течение всей продолжительности колебаний постоянно создаются новые. На неподвижном кадре формирование молекул воздуха вокруг бокала выглядит как луковица. При рассмотрении в замедленной съемке отдельные ее слои непрерывно перемещаются изнутри наружу, увеличиваясь при этом.

Акустический концерт, акт третий: о волнах, которые представляют собой сплошной хаос

То, что мы увидели под микроскопом, – не что иное, как игра воображения. В реальной жизни ситуация выглядит гораздо сложнее. Прежде всего, все происходит безумно быстро: звук распространяется в воздухе со скоростью около 343 метров в секунду – независимо от того, хлопаете вы в ладоши или стучите по бокалу, за доли секунды доминоподобное движение молекул уже достигает стен, потолка и пола помещения. Молекулы отскакивают от каждой преграды и выбрасываются в пространство под разными углами. Их траекторию способны изменить даже предметы мебели.