Скорость Звука
На вулканическом острове Элдория странные отголоски танцуют в воздухе. Сады огненных цветов цветут, но происходит нечто большее. Звук далёкого грома распространяется гораздо быстрее, чем должен! Факт: Скорость звука не постоянна; она меняется в зависимости от температуры и среды, в которой распространяется.
Дия, посещая Элдорию со своей семьей, замечает странность. «Гром прозвучал почти мгновенно, пап», — говорит она, поднимая взгляд. Ее отец, задумчивый мужчина в очках, с аккуратной короткой бородой и седеющими висками, кивает. «Верно, Дия, молния и гром происходят одновременно, просто звук доходит позже». «Это странно, не так ли?» — спросила Дия. Ее отец ответил: «Да, это так. Звуку требуется некоторое время, чтобы распространиться, поэтому гром всегда приходит после молнии. Просто здесь задержка намного короче, чем обычно. Но почему?» Факт: Звук распространяется со скоростью примерно триста сорок три метра в секунду в сухом воздухе при двадцати градусах Цельсия. Это намного медленнее света, который распространяется со скоростью двести девяносто девять миллионов семьсот девяносто две тысячи четыреста пятьдесят восемь метров в секунду!
Позже Дия и ее мать сидят на скамейке, откуда открывается вид на поля огненных цветов. Дия, с блокнотом в руке, размышляет вслух: «Мам, воздух здесь такой теплый, может быть, это как-то связано с этим?» Ее мать, приветливая женщина с темными волнистыми волосами до плеч и теплыми карими глазами, улыбается: «Это отличный вопрос, Дия!» «Мам, помнишь, что сказал Аристотель? «Чем больше ты знаешь, тем больше понимаешь, как многого не знаешь». Может быть, горячий воздух на острове как-то связан с тем, почему звук распространяется быстрее. Влияет ли тепло на звук?» Факт: Интересный факт: Звук распространяется быстрее в более теплом воздухе, потому что молекулы более энергичны и чаще сталкиваются.
Дия представляет воздух вблизи. Жар от вулкана перемешивает молекулы воздуха. Когда звук распространяется, думает она, это похоже на крошечные домино, толкающие друг друга. Более горячий воздух заставляет «домино» стоять ближе, а «толчок» идти быстрее! Факт: В более теплом воздухе звук распространяется примерно на ноль целых шесть десятых метра в секунду быстрее на каждый градус Цельсия повышения температуры.
Дия делает наброски в своем блокноте. Она вспоминает, что звук распространяется быстрее через более плотные материалы. «Может быть, вулканические газы тоже делают воздух плотнее?» — размышляет она, рисуя диаграмму. Факт: Звук распространяется быстрее через более плотные среды, такие как твердые тела и жидкости. Например, звук распространяется примерно в четыре раза быстрее в воде, чем в воздухе!
Она помнит эффект Доплера. Когда мимо проносится пожарная машина, кажется, что тон её сирены меняется. Если источник движется к вам, звуковые волны сжимаются, повышая частоту! «Может ли это сыграть свою роль?» Факт: Эффект Доплера, открытый Кристианом Доплером в тысяча восемьсот сорок втором году, влияет как на звуковые, так и на световые волны.
«Звук распространяется быстрее и под водой», — замечает отец Дии за ужином тем вечером. «Вот почему подводные лодки используют гидролокатор для навигации». Он объясняет, что гидролокатор работает, посылая звуковые волны и измеряя время, за которое они возвращаются. Это похоже на эхо, но гораздо точнее. «Знаешь ли ты, что скорость звука необходима для эхолокации, используемой летучими мышами и дельфинами? Эти животные используют звук, чтобы «видеть» в своей среде», — говорит ее отец. Факт: Сонар (Sound Navigation and Ranging — звуковая навигация и определение дальности) активно разрабатывался во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок.
Дия представляет себе реактивный самолет, парящий в небе. Что происходит, когда самолет летит быстрее скорости звука? Он создает звуковой удар! Самолет фактически догоняет звуковые волны, которые он создает, сжимая их в ударную волну. «Вот это вызов!» — восклицает Дия, — «Как самолет вообще может летать быстрее звука?» Факт: Первым человеком, преодолевшим звуковой барьер, был Чак Йегер в тысяча девятьсот сорок седьмом году, летевший на самолете Bell X-1 со скоростью одна целая шесть сотых Маха.
Дия снова думает о вулкане. Могло ли само извержение создать своего рода звуковой удар? Или, может быть, форма острова как-то фокусирует звук? Это загадка, которую стоит разгадать! «Ух ты, — сказала Дия, — остров похож на гигантский усилитель». Она начала яростно писать в своем блокноте. Факт: Извержения вулканов могут генерировать инфразвук — звуки с частотами ниже диапазона человеческого слуха, — которые распространяются на огромные расстояния.
Понимание скорости звука помогает нам исследовать мир. От медицины до музыки, от коммуникации до климатологии, прислушиваясь к эху, мы узнаем о Вселенной вокруг нас! Ответы ждут, все, что нам нужно сделать, это слушать. Факт: Медицинский ультразвук, музыкальные инструменты и сейсмический мониторинг — все они основаны на понимании свойств звуковых волн.