Занимательная физика. Книга 1

Со времён Франклина известно, что молния – это гигантская электрическая искра, а гром – сопровождающий ее треск. Однако кто наблюдал электрические искры, тот, вероятно, заметил, что треск её по характеру не похож на гром: в треске искры не наблюдается столь характерных для грома раскатов. Почему гром длится так долго (5–8 секунд, между тем как молния длится менее тысячной доли секунды) и почему он грохочет то усиливаясь, то ослабляясь – вот вопросы, которые интересно рассмотреть.

Причина кроется в двух обстоятельствах: в большой длине молнии и в медленности распространения звука. Молнии достигают часто нескольких верст длины. Если ближайший конец молнии находится от вас на расстоянии одной версты, а дальний – на расстоянии пяти верст, то первый удар грома вы услышите спустя три секунды после молнии (звук проходит ¹/₃ версты в секунду). Когда же гром замолкнет? Тогда, когда до вас дойдет звук от дальнейшего конца, отстоящего за 5 верст, – т. е. через 15 секунд. Итак, вы будете слышать гром в продолжение 15 – 3 = 12 секунд, – хотя на самом деле он продолжался, быть может, лишь ¹/₁₀ секунды.

(Любопытно отметить здесь сходство этого явления с тем, что описано в главе «По волнам бесконечности». Только в данном случае движется не наблюдатель, а самый источник звуковых колебаний: он как бы удаляется от наблюдателя со скоростью звука.)

Рис. 163. Рисунок, объясняющий происхождение раскатов грома.

Теперь понятно, почему гром длится так долго. Непонятными остаются его раскаты, попеременные усиления и ослабления звука. Но и это станет ясно, если вспомнить, что молния не имеет вида прямой линии, а изламывается многочисленными изгибами. На рис. 163 изображена молния (по фотографическому снимку), и мы воспользуемся ею, чтобы определить, что должен слышать наблюдатель, находящийся в точке В, если источником звука является каждая точка разветвленной молнии. Для этого опишем из точки В, как из центра, ряд концентрических дуг, пересекающих молнию. Прежде всего до уха наблюдателя дойдут одновременно звуки из точек а₁, а₂, а₃ и а₄; эти четыре звука сольются в один громкий звук. Затем наблюдатель услышит сумму 5-ти звуков: из b₁, b₂, b₃, b₄ и b₅; он будет по силе не равен предыдущему. Затем придет звук c₁+c₂+c₃+c₄+c₅. Потом звук d₁+d₂+d₃+d₄, – и так далее. Если вы далее проследите за этим процессом, – вы убедитесь, что звуки будут неправильно изменяться в силе, то нарастая, то снова ослабляясь, пока, наконец, не затихнут совершенно.

Эхо облаков и взаимодействие звуковых волн еще более разнообразят характер громовых раскатов.

Если бы звук распространялся быстрее, гром длился бы гораздо менее; если бы, например, скорость звука равнялась скорости света, – то гром длился бы одно мгновение.

Водяной микрофон

Микрофонами называются приборы, усиливающие весьма слабые звуки. Они играют в акустике ту роль, какую в оптике играют микроскопы. Вероятно, всем знаком электрический микрофон, употребляемый при телефонах. Но едва ли многие знают, что можно устроить усилитель звука с помощью водяной струи, без всякого электрического тока. Такой водяной микрофон гораздо проще электрического, хотя и не так удобен. Вот как он устроен.

Струя воды, вытекающая с большой силой через узкое отверстие (½ миллиметра) в наконечнике каучуковой трубки, направлена прямо на каучуковую перепонку, которая натянута на отверстие вертикально поставленной стеклянной трубки (толщиной в 1 сантиметр). Пока отверстие наконечника близко к упругой перепонке, никакого звука не слышно. Но при поднятии наконечника трубки над перепонкой, т. е. при удлинении водяной струи, слышится явственный шум. Легко понять причину этого звука: длинная струя состоит из ряда утолщений и сжатий; она, следовательно, надавливает на перепонку с различной силой и приводит ее в колебательное движение; короткая же струя, будучи сплошной, не колеблет перепонки, а лишь натягивает ее. Шум можно усилить, если приставить к отверстию наконечника каучуковой трубки деревянную дощечку.

Рис. 164. Струя воды в роли микрофона.

Если убрать деревянную дощечку и вместо неё приставить к отверстию каучуковой трубки обыкновенные карманные часы, то тиканье их вызовет соответствующие перерывы струи: последняя, ударяя в перепонку, сообщит ей те же колебания, но значительно усиленные. Слабое тиканье часов усиливается до того, что его можно слышать на другом конце довольно обширной залы.

Вместо конуса можно надевать каучуковую трубку, прикладываемую к уху, – тогда звуки становятся прямо оглушительными «и начинают, – по словам физика Бойса, – походить скорее на удары молота о наковальню, чем на тиканье карманных часов».