Продолжаем тему иллюзий. Приводим отрывки из "библии начинающего физика" - книги "Занимательная физика" Я.И.Перельмана

Несмотря на то, что книга вышла в свет в прошлом столетии (лично я познакомился с ней, когда мне было 15 лет.), и, что многие вещи вам уже известны из школы ("Медведы интернета" назовут это "баяном"), тем не менее, надеюсь, будет интересно почитать.

Слуховые обманы

Если мы почему-либо вообразили, что источник легкого шума находится не вблизи нас, а значительно дальше, то звук покажется нам гораздо громче. Подобные иллюзии слуха случаются с памп довольно часто; мы только не всегда обращаем на них внимание.

Вот любопытный случай, который описал в своей «Психологии» американский ученый Вильям Джемс:

«Однажды, поздно ночью я сидел и читал; вдруг из верхней части дома раздался страшный шум, прекратился и затем, через минуту, слова возобновился, Я вышел в зал, чтобы прислушаться к шуму, но он там не повторился. Как только я успел вернуться и себе в комнату и сесть за книгу, снова поднялся тревожный, сильный шум, точно перед началом бури. Он доносился отовсюду. Крайне встревоженный, я снова вышел в зал, и снова шум прекратился.

Вернувшись во второй раз к себе в комнату, я вдруг открыл, что шум производила своим храпом маленькая собачка, спавшая полу!... При этом любопытно то, что, раз обнаружив истинную причину шума, я уже не мог, несмотря на все усилия, возобновить прежнюю иллюзию».

«Чудеса чревовещания»

«Если кто-нибудь ходит по гребню крыши,— пишет проф. Гампсон,— то голос его внутри дома производит впечатление слабого шепота. По море того как он удаляется к краю здания, шепот все слабеет. Если мы сидим в какой-нибудь комнате дома, то наше ухо ничего не может нам сказать относительно направления звука и расстояния говорящего лица. Но по изменению голоса наш разум выведет заключение, что говорящее лицо удаляется от нас. Если же самый голос скажет нам, что обладатель его движется по крыше, то мы легко поверим этому заявлению. Если бы, наконец, кто-либо стал разговаривать с этим лицом, будто бы находящимся снаружи, и получал осмысленные ответы, то иллюзия получалась бы полная.

Таковы условия, при которых действует чревовещатель. Когда очередь говорить доходит до человека на крыше, чревовещатель слабо бормочет; когда же очередь доходит до него, он говорит полным, чистым голосом, чтобы оттенить контраст с другим голосом. Содержание его замечаний и ответов его мнимого собеседника усиливает иллюзию. Единственным слабым пунктом в этом обмане могло бы оказаться то обстоятельство, что мнимый голос лица, находящегося снаружи, фактически исходит от человека на сцене, т. е. имеет ложное направление.

Следует еще заметить, что название чревовещатель является неподходящим. Чревовещатель должен скрывать от своих слушателей тот факт, что, когда очередь доходит до мнимого партнера, он в действительности говорит сам. Для этой цепи он пользуется различными уловками. При помощи всякого рода жестов он старается отвлечь внимание слушателей от себя. Склоняясь набок и держа руку у уха, как будто прислушиваясь, он стремится по возможности спрятать свои губы. Когда он не может спрятать своего лица, то старается делать лишь самые необходимые движения губами. Этому помогает то обстоятельство, что часто требуется лишь неясный, слабый шепот. Движения губ скрываются так хорошо, что некоторые люди думают, будто голос артиста выходит откуда-то из глубины его тела,— отсюда название: чревовещатель».

Итак, мнимые чудеса чревовещания всецело основаны лишь на том, что мы не в состоянии в точности определять ни направление звука, ни расстояние до звучащего тела. В обычной обстановке мы достигаем этого лишь приблизительно; но достаточно поставить нас в не совсем обычные условия восприятия звука — и мы уже поддаемся самым грубым ошибкам в определении источника звука. Наблюдая сам чревовещателя, я не мог преодолеть иллюзии, хотя хорошо понимал, в чем здесь дело.

Курьезы слуха

Когда мы грызем твердый сухарь, мы слышим оглушительный шум, между тем как наши соседи едят те же сухари без заметного» шума. Как ухитряются они избегать этого грохота?

Дело в том, что шум и грохот существуют лишь в наших ушах и мало беспокоят уши наших соседей. Кости черепа, как и вообще твердые, упругие тела, очень хорошо проводят звуки, а звук в плотной среде усиливается иногда до чрезвычайных размеров. Доходя до уха через воздух, треск сухаря воспринимается как легкий шум; но тот же треск превращается в грохот, если доходит до слухового нерва через твердые кости черепа Вот еще опыт из той же области: зажмите между зубами колечко карманных часов и плотно закройте уши пальцами: вы услышите тяжелые удары — так усилится тиканье часов.

Бетховен, оглохнув, слушал, говорят, игру на рояле, приставив к нему одним концом свою трость, другой конец который он держал у зубов. Точно так же те глухие, у которых уцелело внутреннее ухо, могут танцевать под музыку: звуки достигают до их слуховых нервов через пол и кости.

Где стрекочет кузнечик?

Очень часто мы ошибочно определяем не расстояние, а направление, в каком находится звучащий предмет.

Уши наши довольно хорошо различают, раздался ли звук выстрела справа или слева от нас.

Но они зачастую бессильны определить положение источника звука, если он находится прямо впереди или позади нас: выстрел, произведенный впереди, нередко слышится как донесшийся сзади.

Мы способны в таких случаях отличать лишь — по силе звука — отдаленный выстрел от близкого.

Вот опыт, который может нас многому научить. Посадите кого-нибудь посреди комнаты с завязанными глазами и попросите его сидеть спокойно, не поворачивая головы, Затем,, взяв в руки две монеты, ударяйте ими одну о другую, оставаясь все время в той отвесной плоскости, которая рассекает голову вашего гостя пополам, между его глазами. Пусть испытуемый попробует угадать место, где щелкнули монеты. Результат получается прямо невероятный: звук произведен в одном углу комнаты, а испытуемый указывает на совершенно противоположную точку!

Если вы отойдете от упомянутой плоскости симметрии головы в сторону, ошибки будут уже не так грубы. Это и понятно: теперь звук в ближайшем ухе вашего гостя слышен немного раньше и громче; благодаря этому испытуемый может определить, откуда исходит звук.

Этот опыт объ ясняет, между прочим, почему так трудно заметить стрекочущего в траве кузнечика. Резкий звук раздается в двух шагах от вас, справа от дорожки. Вы смотрите туда, но ничего не видите; звук доносится уже слева. Поворачиваете голову туд а, но звук уже до носится из какого-нибудь третьего места. Чем быстрее поворачиваетесь вы в сторону стрекочущего звука, тем проворнее совершаются эти прыжки невидимого музыканта. На самом деле, однако, насекомое сидит на одном месте; его изумительные прыжки — плод вашего воображения, следствие обм ана слуха. Ошибка ваша в том, что вы поворачиваете голову, по мещ ая ее при этом как раз так, что кузнечик находится в плоскости симметрии вашей го ловы. При этом условии, как мы зн аем, легко ошибиться в направлении звука: стрекотание кузнечика раздается впереди вас, но вы по ошибке относите его в противоположную сторону.

Отсюда практический вывод: если хотите определить, откуда доносится звук кузнечика, пение кукушки и тому подобные отдаленные звуки, не поворачивайте лица на звук, а, напротив, отворачивайте его в сторону. Впрочем, мы это и делаем, когда, как говорится, «настораживаемся».

Жужжание насекомых

Почему насекомые часто издают жужжащие звуки? В большинстве случаев у них вовсе не имеется для этого никаких особых, органов; жужжание, слышимое только при полете, обусловлено просто тем, что, летая, насекомые взмахивают крылышками несколько сотен раз в секунду. Крылышко — это колеблющаяся пластинка, а мы знаем, что всякая достаточно часто (чаще 16 раз в секунду) колеблющаяся пластинка порождает тон определенной высоты.

Теперь вы поймете, каким образом удалось узнать, сколько именно взмахов делает в секунду при полете то или иное насекомое. Для этого достаточно лишь определить по слуху высоту издаваемого насекомым тона, потому что каждому тону отвечает своя частота колебаний. С помощью «лупы времени» удалось установить, что частота взмахов крыльев у каждого насекомого почти неизменна; регулируя полет, насекомое изменяет лишь величину взмаха («амплитуду» колебаний) и наклон крыльев: число взмахов в секунду увеличивается лишь под влиянием холода. Вот почему и тон, издаваемый насекомым при полете, остается неизменным...

Найдено, например, что комнатная муха (издающая при полете тон F ) делает в секунду 352 взмаха крылышками. Шмель взмахивает 220 раз в секунду. Пчела, издающая тон А, взмахивает крыльями 440 раз в секунду, когда она летит свободно, и всего 330 раз (тон В), когда летит нагруженная медом. Жуки, порождающие при полете более низкие тона, движут крыльями менее проворно. Напротив, комар делает крылышками 500—600 колебаний в секунду. Для сравнения заметим, что пропеллер самолета делает в среднем около 25 оборотов в секунду.

Эхо со дна моря

Долгое время человек не извлекал из эхо никакой пользы, пока не придуман был способ измерять с помощью его глубину морей и океанов. Изобретение это зародилось случайно. В 1912 г . затонул почти со всеми пассажирами огромный океанский пароход «Титаник»,— затонул от случайного столкновения с большой льдиной. Чтобы предупредить подобные катастрофы, пытались в туман или в ночное время пользоваться эхом для обнаружения присутствия ледяной преграды впереди судна. Способ на практике себя не оправдал, "зато натолкнул на другую мысль: измерять глубину морей с помощью отражения звука от морского дна. Мысль оказалась очень удачной.

На рис. вы видите схему установки. У одного борта корабля помещается в трюме, близ днища, патрон, порождающий при зажигании резкий звук. Звуковые волны несутся сквозь водную толщу, достигают дна моря, отражаются и бегут обратно, неся с собой эхо. Оно улавливается чувствительным прибором, установленным, как и патрон, у днища корабля. Точные часы измеряют промежуток времени между возникновением звука и приходом эхо. Зная скорость звука в воде, легко вычислить расстояние до отражающей преграды, т. о. определить глубину моря или океана.

Эхолот, как назвали эту установку, совершил настоящий переворот в практике измерения морских глубин. Пользование глубомерами прежних систем возможно было лишь с неподвижного судна и требовало много времени. Лотлинь приходится спускать с колеса, на котором он намотан, довольно медленно ( 150 м в минуту); почти так же медленно производится и обратный подъем. Измерение глубины в 3 км этим способом отнимает 3/4 часа. С помощью эхолота то же измерение можно произвести в несколько секунд, на полном ходу корабля, получая при этом результат, несравненно более надежный и точный. Ошибка в этих измерениях не превосходит четверти метра (для чего промежутки времени определяются с точностью до 3000-й доли секунды).

Если точное измерение больших глубин имеет важное значение для науки океанографии, то возможность быстро, надежно и точно определять глубину в мелких местах является существенным подспорьем в мореплавании, обеспечивая его безопасность: благодаря эхолоту судно может смело и быстрым ходом приближаться к берегу.

В современных эхолотах применяются не обычные звуки, а чрезвычайно интенсивные «ультразвуки», неслышимые человеческим ухом, с частотой порядка нескольких миллионов колебаний в секунду. Такие звуки создаются колебаниями кварцевой пластинки (пьезокварца), помещенной в быстропеременное электрическое поле.

Звуки в театральном зале

Кто много раз посещал различные театры и концертные залы, тому хорошо известно, что в смысле слышимости залы бывают с хорошей акустикой и с плохой акустикой; в одних помещениях голоса артистов и звуки музыкальных инструментов внятно слышны на далеком расстоянии, в других — звуки даже вблизи воспринимаются неотчетливо. Причина этого явления очень хорошо изложена в книге американского физика Вуда: «Звуковые волны и их применения»).

«Любой звук, произведенный в здании, довольно долго раздается по окончании звучания источника; вследствие многократных отражений он несколько раз обходит кругом здания,— а тем временем раздаются другие звуки, и слушатель часто не в состоянии уловить их в надлежащем порядке, и в них разобраться. Так, например, если звук длится 3 секунды и оратор говорит со скоростью трех слогов в секунду, то звуковые волны, соответствующие 9 слогам, будут двигаться по комнате все вместе и создадут полную неразбериху и шум, из-за которого слушатель не сможет понимать оратора.

Оказавшемуся в таких условиях оратору остается говорить очень разборчиво и не слишком громко. Но обычно ораторы, как раз наоборот, стараются говорить громко и этим только усиливают шум».

Еще не так давно сооружение театра с хорошей акустикой считалось делом счастливой случайности. В настоящее время найдены приемы успешной борьбы с нежелательной длительностью звука (называемой «реверберацией»), которая портит слышимость. В этой книге не место входить в подробности, интересные только для архитекторов. Отмечу лишь, что борьба с плохой акустикой состоит в создании поверхностей, поглощающих излишние звуки. Самым лучшим поглотителем звука является открытое окно (как лучшим поглотителем света служит отверстие); квадратный метр открытого окна принят даже за единицу, которой измеряется поглощение звука. Очень хорошо — хотя и вдвое хуже, нежели открытое окно,— поглощают звуки сами посетители театра: каждый человек равнозначен в этом отношении примерно половине квадратного метра открытого окна. И если правильно замечание одного физика, что «аудитория поглощает речь оратора в самом прямом смысле слова», то не менее верно, что пустой зал неприятен для оратора также в непосредственном смысле слова.

Если поглощение звука слишком велико, это также создает ухудшенную слышимость. Во-первых, чрезмерное поглощение приглушает звуки, во-вторых, уменьшает реверберацию до такой степени, что звуки слышатся как бы оборванными и производят впечатление некоторой сухости. Поэтому, если следует избегать слишком длительной реверберации, то и слишком короткая реверберация также нежелательна. Наилучшая величина реверберации для различных зал не одинакова и должна быть установлена при проектировании каждого зала.

В театре имеется и другой предмет, интересный с точки зрения физики: суфлерская будка. Обратили ли вы внимание на то, что во всех театрах она имеет одну и ту же форму? Это оттого, что суфлерская будка — своего рода физический прибор. Свод будки представляет собой вогнутое звуковое зеркало, имеющее двоякое назначение: задерживать звуковые волны, идущие из уст суфлера в сторону публики, а кроме того, отражать эти волны по направлению к сцене.

Звуковые зеркала

Стена леса, высокий забор, строение, гора — всякая вообще преграда, отражающая эхо, есть не что иное, как зеркало для звука; она отражает звук так же, как плоское зеркало отражает свет.

Звуковые зеркала бывают не только плоские, но и кривые. Вогнутое звуковое зеркало действует как рефлектор: сосредоточивает «звуковые лучи» в своем фокусе.

Две глубокие тарелки дают возможность проделать любопытный опыт этого рода. Поставьте одну тарелку на стол и в нескольких сантиметрах от ее дна держите карманные часы. Другую тарелку держите у головы, близ уха, как изображено на рис. 151, Если положение часов, уха и тарелок найдено правильно (это удается после ряда проб), вы услышите тиканье часов, словно исходящее от той тарелки, которую вы держите у головы. Иллюзия усиливается, если закрыть глаза: тогда положительно нельзя определить по слуху, в какой руке часы — в правой или в левой. 

Строители средневековых замков нередко создавали такие звуковые курьезы, помещая бюсты либо в фокусе вогнутого звукового зеркала, либо у конца говорной трубы, искусно скрытой в стене. На рис. 152, заимствованном из старинной книги XVI века, можно видеть эти хитроумные приспособления: потолок в форме свода направляет к губам бюста звуки, приносимые извне говорной трубой; огромные говорные трубы, замурованные в здании, приносят разнообразные звуки со двора к каменным бюстам, размещенным у стен одной из зал, и т. п. Посетителю такой галереи казалось, что мраморные бюсты шепчут, напевают и т. п.

Звук вместо мерной ленты

Знанием скорости распространения звука в воздухе можно иной раз пользоваться для измерения расстояния до недоступного предмета. Такой случай описан Жюлем Верном в романе «Путешествие к центру Земли». Во время подземных странствований два путешественника — профессор и его племянник — потеряли друг друга. Когда, наконец, им удалось издали обменяться голосами, между ними произошел такой разговор:

• «Дядя!— крикнул я (рассказ ведет племянник).
• Что, дитя мое? — услышал я спустя некоторое время.
• Прежде всего, как далеко мы друг от друга?
• Это не трудно узнать.
• Ваш хронометр цел?
• Да.
• Возьмите его в руки. Произнесите мое имя и точно заметьте секунду, когда начнете говорить. Я повторю имя, как только звук дойдет до меня, и вы тоже заметьте момент, когда до вас дойдет мой ответ.
• Хорошо. Тогда половина времени, прошедшего между сигналами и ответом, покажет, сколько секунд употребляет звук, чтобы дойти до тебя. Ты готов?
• Да.
• Внимание! Я произношу твое имя. Я приложил ухо к стене. Как только слово «Аксель» (имя рассказчика) достигло моего слуха, я немедленно повторил его и стал ждать.
• Сорок секунд,— сказал дядя,— следовательно, звук дошел до меня в 20 секунд. А так как звук проходит в секунду одну треть километра, то это отвечает расстоянию почти в семь километров».

Если вы хорошо поняли то, что рассказано в этом отрывке, вам легко будет самостоятельно решить такую задачу: я услышал свисток отдаленного паровоза спустя полторы секунды после того, как заметил белый дымок, которым был вызван этот звук; на каком расстоянии я находился от паровоза?

Как разыскивать эхо?

Никто его не видывал,
А слышать — всякий слыхивал,
Без тела, а живет оно,
Без языка — кричит.
Некрасов

Среди рассказов американского юмориста Марка Твена есть смешная выдумка о злоключениях коллекционера, возымевшего мысль составить себе коллекцию... чего бы вы думали? Эхо! Чудак неутомимо скупал все те участки земли, где воспроизводились многократные или чем-либо иным замечательные эхо.

Прежде всего, он купил эхо в штате Георгия, которое повторяло четыре раза, потом шестикратное в Мериленде, затем 13-кратное в Мэне. Следующей покупкой было 9-кратное эхо в Канзасе, дальнейшей — 12-кратное в Тенесси, дешево приобретенное, потому что нуждалось в ремонте: часть утеса обвалилась. Он думал, что его можно починить достройкой; но архитектор, который взялся за это дело, никогда еще не страивал эхо и потому испортил его в конец,— после обработки оно могло годиться разве лишь для приюта глухонемых...»

Это, конечно, шутка; однако замечательные многократные эхо существуют в различных, преимущественно горных, местностях земного шара, и некоторые издавна приобрели всесветную известность.

Перечислим несколько знаменитых эхо. В замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет ,17 слогов.

Развалины замка Деренбург возле Гальберштадта давали 27-сложное эхо, которое, однако, умолкло с тех пор, как одна стена была взорвана. Скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехословакии, повторяют* в определенном месте, троекратно 7 слогов; нов нескольких шагах от этой точки даже звук выстрела не дает никакого эхо. Весьма многократное эхо наблюдалось в одном (ныне несуществующем) замке близ Милана: выстрел, произведенный из окна флигеля, повторялся эхом 40—50 раз, а громкое слово — раз 30.

Не так просто отыскать место, где эхо отчетливо слышно и один раз. У нас в Сощзе, впрочем, найти подобные места сравнительно легко. Есть много равнин, окруженных лесами, много полян в лесах; стоит громко крикнуть на такой поляне, чтобы от стены леса донеслось более или менее отчетливое эхо.

В горах эхо бывает разнообразнее, чем на равнинах, зато встречается гораздо реже. Услышать эхо в горной местности труднее, чем на окаймленной лесом равнине.

Вы сейчас поймете, почему это происходит. Эхо — не что иное, как возвращение звуковых волн, отразившихся от какого-либо препятствия; как и при отражении света, угол падения «звукового луча» равняется углу его отражения. (Звуковой луч — направление, но которому бегут звуковые волны).

Теперь вообразите, что вы находитесь у подножия горы, а препятствие, которое должно отразить звук, помещается выше вас, например в АВ. Легко видеть, что звуковые волны, распространяющиеся по линиям Са, СЬ, С c , отразившись, не достигнут вашего уха, а рассеются в пространстве по направлениям аа, bb, cc . 

Другое дело, если вы поместитесь на уровне препятствия или даже чуть выше него. Звук, идущий вниз по направлениям Са, C b, возвратится к вам по ломаным линиям C ааС или С bb С, отразившись от почвы один или два раза. Углубление почвы между обоими пунктами еще более способствует отчетливости эхо, действуя как вогнутое зеркало. Напротив, если почва между точками С и В выпукла, эхо будет слабое и даже совсем не достигнет вашего уха: такая поверхность рассеивает лучи звука, как выпуклое зеркало.

Разыскивание эхо на неровной местности требует известной сноровки. Даже найдя благоприятное место, надо еще уметь эхо вызвать. Прежде всего, не следует помещаться чересчур близко к препятствию: надо, чтобы звук прошел достаточно длинный путь, иначе эхо вернется слишком рано и сольется с самим звуком. Зная, что звук проходит 340 м в секунду, легко понять, что, поместившись на расстоянии 85 м от препятствия, мы должны услышать эхо через полсекунды после звука.

Хотя эхо родит «на всякий звук свой отклик в воздухе пустом», но не на все звуки откликается оно одинаково отчетливо. Эхо не одинаково, «ревет ли зверь в лесу глухом, трубит ли рог, гремит ли гром, поет ли дева за холмом». Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчетливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Звук человеческого голоса для этого менее пригоден, особенно голос мужчины; высокие тона женских и детских голосов дают более отчетливое эхо.