Поставьте кастрюлю с водой на кухонную плиту, придвиньте к плите стул и прислушивайтесь к звукам, издаваемым водой. Одновременно наблюдайте за тем, что происходит внутри кастрюли. Звуки эти настолько привычны, что мы их не замечаем, но безошибочно можем по ним определить момент, когда вода закипит. Что вызывает эти звуки?

ОТВЕТ • При нагревании воды сначала вы слышите прерывистое шипение, оно становится все громче и громче и наконец превращается в постоянное. Этот звук издают воздушные пузырьки, которые при повышении температуры образуются в трещинах (царапинах) на дне чайника или кастрюли из растворенного в воде воздуха. Пузырек растет и по мере роста колеблется, отчего через воду и стенки чайника идут звуковые волны. Шипение — это как раз суммарный звук, испускаемый всеми пузырьками. Когда пузырьки становятся достаточно большими, подъемная сила выталкивает их на поверхность, и они там лопаются, издавая слабые хлопки.

Когда температура еще повысится и большая часть растворенного воздуха уже уйдет из воды и превратится в пузырьки, шипение затихает, но появляются другие — резкие звуки. Вода начинает закипать начиная со дна, и в трещинах образуются пузырьки пара. Но звук, который мы слышим, вызван не образованием пузырьков пара и даже не их колебаниями, а их схлопыванием. Когда пузырьки схлопываются, пар опять растворяется в воде, и она мгновенно устремляется в места, прежде занятые пузырьками. И тогда раздается щелчок, который распространяется через воду и стенки кастрюли дальше в воздух. Этот звук мы и слышим.

Когда вода нагреется еще сильнее, пузырьки пара становятся настолько большими, что могут оторваться ото дна. Однако до поверхности они не доплывают: когда они поднимаются с очень горячего дна и попадают в более холодные слои воды, они схлопываются, издавая при этом резкие звуки, похожие на щелчки. Эти звуковые волны могут вызвать резонанс в столбе воздуха (находящемся между поверхностью воды и крышкой чайника), в объеме воды и в стенках чайника. Это означает, что звуковые волны усиливают друг друга, и в этих трех резонаторах образуются волны большой мощности, посылающие звук в окружающее пространство, который мы и слышим. Сочетание щелчков и звуков на резонансных частотах и образует те характерные звуки, слыша которые мы понимаем, что вода вот-вот закипит.

Если вода продолжит нагреваться и температура верхних слоев повысится, пузырьки в конце концов смогут всплыть на поверхность, не схлопываясь по дороге. И уже на поверхности они лопнут, издав слабый звук, похожий на шлепок. Когда прежние резкие щелчки заменяются на слабые шлепки — это сигнал того, что вода полностью закипела (то есть кипение происходит во всем объеме). А это значит, что пора заваривать чай.

Может быть, вам и не нравится, когда рядом кто-то звонко от чего-то откусывает и громко чем-то хрумкает, но вот вопрос: можете ли вы по звуку определить, что именно жует ваш сосед? Например, можете ли вы по одному лишь звуку понять, спелое ли яблоко он грызет, свежими ли чипсами хрустит? Производители еды часто прикладывают титанические усилия к тому, чтобы произведенные ими продукты при еде издавали «правильные» звуки.

ОТВЕТ • Да, вы можете определить по звуку, какое яблоко он грызет и какими чипсами хрустит. Мне даже кажется, что индустрия быстрого питания при производстве снеков по большей части ориентируется на издаваемый ими хруст. (Бросьте в кипящий жир, обваляйте в соли — и хрустите! Но совсем не на здоровье!) Когда хрупкий кукурузный чипс ломается, он тут же разваливается на мелкие кусочки, поскольку через заполненные воздухом ячейки сразу бегут многочисленные трещины. Эти ячейки гнутся и ломаются на части, эти части мгновенно начинают колебаться, что вызывает изменения давления воздуха и в результате создаются звуковые волны. Тогда-то вы и слышите, что кто-то рядом хрустит чипсами. А когда вы хрустите чипсами сами, то слышите звук, который приходит в уши не только через воздух, но и через голову — колебания давления передаются туда через зубы и челюсти. Свежеприготовленные кукурузные чипсы очень хрупкие и, когда ломаются, издают звук высокой частоты (примерно 5000 Гц). Старые чипсы уже впитали влагу из воздуха и потеряли свою хрупкость. Когда вы раскусываете старые чипсы, то они просто раздавливаются, а не ломаются, и их кусочки не колеблются. Поэтому старые чипсы не хрустят.

Хрустящие яблоки можно отличить от вялых по звуку, особенно при первом надкусывании. Обычно звонкий хруст имеет частоту меньше 2000 Гц. Разница в звуках при надкусывании свежего и уже полежавшего яблока объясняется разным составом клеток яблочной мякоти. В свежем спелом яблоке вода в клетках находится под давлением. При нажатии клетки лопаются и возникает звуковая волна с частотой 100–1500 Гц. В старом яблоке вода в клетках находится под меньшим давлением (у них меньше тургор — напряжение клеточной оболочки), поскольку пектины (углеводы) из оболочки уже перешли в раствор. При нажатии клетки не лопаются, а раздавливаются, и все это происходит почти беззвучно.

[53]

Один из популярных в Северной Америке сухих завтраков состоит из поджаренных воздушных рисовых хлопьев. Когда хлопья бросают в молоко, они с хрустом лопаются. Этот продукт издавна продвигался на рынок под лозунгом «Щелкай, хрусти, хлопай». Почему хлопья издают этот звук?

ОТВЕТ • Каждая рисовая хлопинка на воздухе находится под напряжением, то есть разные ее части тянут друг друга, но этого усилия недостаточно для разрушения. Когда одна часть намокает, ее прочность уменьшается, и другие части, тянущие в разные стороны, разрывают ее. Это вызывает мгновенные колебания, которые приводят к распространению слабого звукового импульса, больше похожего на треск, чем на щелчок или хруст. Когда вы едите эти хлопья на завтрак, помните, что звуки, которые вы слышите, — это прощальный привет воздушных рисовых хлопьев.

До 1947 года самолеты летали со скоростями меньше скорости звука (дозвуковыми скоростями), но в 1947 году летчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолете Bell X-1 преодолел так называемый звуковой барьер, пролетев со скоростью, превысившей скорость звука (сверхзвуковой скоростью). Когда большинство самолетов стали летать со сверхзвуковой скоростью, частым, временами раздражающим и даже разрушительным явлением стал сопровождающий полет звук — звуковой удар или хлопок. Почему при полете самолета на сверхзвуковой скорости раздается звуковой удар, которого могут испугаться люди, кошки и от которого даже могут разбиться окна? Могут ли услышать друг друга пассажиры в сверхзвуковом самолете?

Чтобы взрыв бомбы повредил здание (скажем, его стены), давление, развиваемое при взрыве, должно превышать некоторое пороговое значение. А вот звуковой удар может разрушить здание и при давлениях в 100 раз меньше этого порогового значения. Как это возможно?