ОТВЕТ • Удар каждого куска гранита о землю в конце падения вызывал изменения давления воздуха, которые распространялись от места падения в виде звуковых волн. Волна — так называемая воздушная ударная волна взрыва, вызванная ударом, — представляет собой чередование областей сжатого и разреженного воздуха. Если вы окажетесь на пути этой волны взрыва, вас качнет порывом сильного ветра (образованного колебаниями давления в волне взрыва) сначала в одном направлении, а затем в обратном. Воздушная ударная волна взрыва при падении второго куска гранита, масса которого была примерно в три раза больше массы первого, была особенно разрушительна, в лесу скорость ветра от удара доходила до 430 км/ч, что сравнимо со скоростью ветра при торнадо. На самом деле воздушная волна взрыва, вызванная падением второго камня, имела скорость выше скорости звука (то есть это была действительно ударная волна), поскольку пыль, поднятая первым камнем, уменьшила скорость звука в воздухе от нормального значения 340 м/с до примерно 220 м/с, а вблизи места удара скорость воздушной волны взрыва была выше.

Как правильно щелкнуть кнутом? Вы должны так быстро махнуть кнутовищем, чтобы в конце этого короткого замаха скорость кончика кнута была максимальной. Как погромче хлопнуть полотенцем и почему это проще сделать, если полотенце мокрое?

ОТВЕТ • Когда вам нужно щелкнуть кнутом (или чем-то похожим на него), вы делаете резкий взмах кнутовищем и таким образом посылаете волну вдоль кнута. Новички обычно посылают простую волну, а опытные мастера закручивают кнут петлей (рис. 3.5). Когда волна доберется до конца кнута, его ускорение может оказаться в 50 000 раз больше ускорения свободного падения, а скорость может превысить скорость звука. Как и другие объекты, движущиеся со сверхзвуковой скоростью (например, самолеты или сверхзвуковые пули), конец кнута издаст звук, представляющий собой звуковой удар (ударную волну), который мы и называем щелчком кнута.

Рис. 3.5 / Задача 3.59. Три мгновенных снимка бегущей по кнуту петли при резком забрасывании кнутовища назад.

Мокрое полотенце хлопает громче, чем сухое, из-за своей большей массы. Конечно, вам придется приложить больше сил, замахиваясь мокрым полотенцем, но зато его конец приобретет большую энергию.

Некоторые палеонтологи полагают, что динозавр-зауропод Apatosaurus louisae, имевший длинный и гибкий хвост, мог махать им как хлыстом, а конец хвоста мог развивать сверхзвуковую скорость и создавать ударную волну.

Как возникает звук при кашле и чихании и почему некоторые люди кашляют и чихают так громко, что пугают окружающих?

ОТВЕТ • При кашле вы с большой скоростью выдыхаете воздух через трахею и верхние бронхи, и он уносит с собой лишнюю слизь, выстилающую верхние дыхательные пути. Чтобы развить такую высокую скорость, вы вдыхаете большое количество воздуха, перекрываете голосовую щель (узкое отверстие в гортани), увеличиваете давление воздуха, сжимая легкие, и частично прикрываете трахею и верхние бронхи, чтобы сузить канал, через который проходит воздух. А после этого мгновенно открываете голосовую щель и через нее с силой выталкиваете воздух наружу. Поток воздуха быстро становится турбулентным, и в воздух и легкие посылаются звуковые волны. На этой стадии голосовые связки не производят звука в гортани, поскольку они остаются раздвинутыми, чтобы не мешать потоку воздуха. Однако на завершающей стадии этого процесса голосовые связки сближаются, возвращаясь на место. Под действием воздушного потока они начинают колебаться и производят звук.

Выдох при кашле носит взрывной характер, скорость потока воздуха быстро возрастает при проходе через сжатую трахею и верхние бронхи. Согласно расчетам, у некоторых людей скорость выдыхаемого воздуха может достигать и даже превышать скорость звука. И тогда при выходе его из горла возникает небольшая ударная волна (звуковой удар) и кашель становится особенно громким. Такая же ударная волна может возникнуть и при чихании. Так что лучше не оказываться в одном лифте с обладателями сверхзвукового кашля или чиха.

Иногда концерты проводятся в помещениях, которые в смысле акустики ужасны: публика не слышит как следует, что говорят или поют артисты. Например, музыкальный концерт, устроенный в зале для баскетбола, превратится в какофонию звуков. Хотя на рок-концертах громкость часто увеличивают до такой степени, что уже никто из слушателей не думает о качестве звучания. Какой фактор определяет, насколько акустика помещения соответствует требованиям?

ОТВЕТ • Звуки, которые приходят к слушателям, можно разделить на три группы: прямой звук, идущий непосредственно от источника звука, ранние отражения от стен или потолка, которые приходят вскоре после прямого звука (в пределах 0,05 секунды) и поздние отражения, которые приходят позже. Ранние отражения должны быть громкими. Поскольку они приходят после прямого звука с такой маленькой задержкой, в мозге слушателя они сливаются с ним. Эти ранние отражения должны приходить к слушателю в основном слева или справа и усиливать у него ощущение того, что он находится в помещении, а также создавать иллюзию, что источник звука больше, чем он есть на самом деле. Без этих боковых отражений слушатель будет ощущать зал «мертвым», а источник звука — небольшим.

А вот поздние отражения не должны быть слишком громкими, иначе они перекроют, или замажут любой прямой звук, дошедший до слушателя одновременно с ними, и слушатель уже не сможет отличить прямой звук от отражений. С таким замазыванием прямого звука мы встречаемся, когда выкрикиваем что-то в замкнутом помещении с сильным эхом. Однако совсем убирать поздние отражения неправильно, поскольку они дают слушателю ощущение погруженности в звук.

Исследование психологического воздействия ранних и поздних отражений ведется постоянно, равно как и проектирование новых концертных залов. Конструкция зала зависит от его предназначения: для собраний и произнесения речей, пения или исполнения музыки. Обычно стены концертного зала имеют сложный рельеф, например на них делается много выступов, чтобы отраженный звук направлялся в аудиторию. Для уменьшения громкости эха задняя стенка иногда завешивается шторами или часть сцены покрывается ковром.

Акустические свойства оркестровой ямы имеют решающее значение для звучания оркестра. Музыканты слышат не только прямой звук других инструментов, но и отражения этих звуков. Однако больше всего неприятностей музыкантам, сидящим в оркестровой яме под сценой, доставляет резонанс звуковых волн в пространстве между полом ямы и перекрытием сцены (потолком ямы). При резонансе звуковые волны усиливают друг друга, и результирующая звуковая волна получается большой. Если возникают большие перепады давления на уровне уха музыканта, источник звука как бы оказывается расположенным на уровне головы, а не в том месте ямы, где он действительно расположен. Если правильно выбрать высоту ямы и правильно разместить в яме шумопоглотители, это раздражающее музыкантов обстоятельство можно ликвидировать или значительно уменьшить.