Физика без формул

Еще пример. Два одинаковых (с одной частотой) камертона также будут передавать один другому звуковую энергию. Почему же так происходит? Вспомним, как легкими толчками мы можем заметно раскачать качели. Или как усиливает звучание приемник, настроенный на определенную волну. Это — случаи механического и электрического резонанса. Мы же сейчас имеем дело с резонансом звуковым, акустическим.

Все эти примеры объединяет одно — энергия к качелям, к приемнику, к камертону передается небольшими порциями, но так, что словно подхлестывает колеблющуюся систему. Еще говорят — колеблются в фазе. Можно сказать и так: своя собственная, внутренняя частота того же камертона, с которой он сам «хотел» бы колебаться, совпадает с внешней частотой, с какой пришла к нему звуковая волна. Или еще: вошли в резонанс.

Эрнст Хладни (1756–1827) — немецкий физик. Основоположник экспериментальной акустики. Открыл продольные колебания струн, стержней, пластин, камертонов, колоколов. Описал «акустические фигуры», возникающие на колеблющейся пластине, посыпанной песком. Первым провел точные измерения скорости звука в различных газах, доказал, что в твердых телах звук распространяется с конечной скоростью. Объяснил эхо, на опыте определил верхний порог слышимости звука. Изобретал музыкальные инструменты.

Тогда ясно, почему иногда неожиданно начинают вибрировать или дребезжать какие-либо предметы. Их привел в колебание донесшийся откуда-то звук, вызвавший резонанс. Это и произошло в случае с певцом.

Как «законсервировать» звук?

А как записывается, скажем, наш голос? Это ведь тоже одно из самых давних желаний человека — сохранить звук. Как, к примеру, звучал голос Цицерона? Как пели наши далекие предки? Увы, записывать и воспроизводить звук люди научились не столь давно.

Первый фонограф — прибор, служащий именно для этой цели, — был изобретен Томасом Эдисоном в 1877 году.

Томас Эдисон (1847–1931) — американский изобретатель. Запатентовал более 1000 изобретений. Придумал фонограф — прибор, записывающий и воспроизводящий звук. Усовершенствовал телефон, устранив в звучании голоса посторонние шумы, что позволило удлинить телефонную связь. Впервые построил «электричку», сверхмощные электрогенераторы, запустил тепловую электростанцию, изобрел аккумуляторы, железнодорожный тормоз, систему электрического освещения и многое-многое другое.

Представлял он собой валик, на который колеблющейся в такт со звуком иглой наносилась бороздка. Можете себе представить, каким по качеству был этот звук? Однако именно благодаря фонографу сохранился для потомков голос Льва Толстого.

Затем придумали граммофон, в переносном варианте его называли патефоном. Поначалу это были довольно громоздкие аппараты с большим рупором и ручкой, которой его «заводили», будто часы. Главное — на нем можно было проигрывать пластинки. Звуковая дорожка наносится иглой на пластинку по спирали. А материалом для пластинок служат пластмассы.

Вид пластинки сохранился до сих пор, а вот граммофоны лет 40 назад стали вытесняться электропроигрывателями, где роль механического завода взял на себя электромотор, а рупора — динамик.

Не успели распространиться эти устройства, как их стал теснить магнитофон. На пленку, прокручиваемую в нем, заносилась информация в виде пульсаций магнитного поля, идущих в такт со звуковыми колебаниями. Особенность такой записи заключалась в том, что ее «запоминали» магнитные частички в пленке. Их можно было не только упорядочить в соответствии со звуком, но и размагнитить — то есть стереть информацию.

Ныне для записи и хранения звука используют и свет. Вы, конечно же, слышали о лазерных дисках. Звуковая информация, переложенная на язык света, так нежно и аккуратно наносится и считывается с дисков лазером, что может воспроизводиться бессчетное количество раз.

Игры с небесной хлопушкой

Что за взрывы раздаются порой наверху? Взрослые вам пояснят, что это реактивный самолет перешел «звуковой барьер». И правда, в это время можно иногда заметить высоко-высоко в небе белый след самолета с маленькой точкой в начале. Но неужели самолету действительно приходится через что-то там перепрыгивать, как спортсмену в барьерном беге?

Разумеется, никаких барьеров в небе нет. Но самолету и впрямь необходимо преодолеть препятствие. Возникает оно в тех случаях, когда он движется со скоростью, приближающейся к скорости звука в воздухе. На высоте в 11 километров она равна 1000 километров в час. Получается, что звук, испускаемый двигателем самолета, не успевает «отбежать» от него. Уплотнения воздуха как бы накладываются друг на друга, самолет словно спрессовывает их.

Развив скорость больше скорости звука, самолет будто прорывает, прокалывает этот скачок уплотнения. Образуется так называемая ударная волна, бьющая по корпусу самолета. А до нас эта волна доходит в виде хлопка от громкого взрыва.

Ученые и конструкторы изучили особенности прохождения через «звуковой барьер». Они смогли рассчитать необходимый запас прочности для самолета и нужную для него в этих случаях форму. Сейчас скорость, достигающая величины в 3 раза большей скорости звука, доступна серийным самолетам. Однако авиация уже стоит на пороге создания самолетов, летящих быстрее звука раз в 10. Это — область гиперзвуковых скоростей.

Мир света

Что самое первое, с чем сталкивается только что родившийся человек? Конечно, на него навалилась масса новых впечатлений — и холодно ему стало, и шумно вокруг, и запахло чем-то. Но, может быть, самое главное — это хлынувший в глаза поток света, который сразу заставляет его жмуриться.

Всю свою дальнейшую жизнь человек будет ориентироваться в пространстве, воспринимать мир, будто ощупывая его глазами, то есть — улавливая отовсюду свет. Заметьте, как заботливо наш язык отразил все, что связано со зрением: «береги, как зеницу ока», «не в бровь, а в глаз», «видит око, да зуб неймет», «искры из глаз посыпались», «свет очей моих»…

Последнее выражение, кстати, говорит о том, что в свое время люди представляли свет исходящим из глаз, словно щупальца. Однако теперь наши знания о свете стали не только чуть более верными, но и такими необозримыми, что составляют не одну, а несколько наук.

Объединяет их одно название — оптика. В ней можно получить ответы на тысячи вопросов — о том, как видит глаз, как устроен фотоаппарат, как работают микроскопы и телескопы, как светят звезды и планеты, как, куда и зачем бежит сам свет.

А для начала давайте поглядим вокруг себя и всмотримся хотя бы в собственную тень…

Какова стрелка у солнечных часов?

Можно ли загородиться от солнечного света? Конечно, — нет ничего проще. Например, прикрыть глаза ладошкой или раскрыть зонтик над головой. А что мы делаем с вами в этих случаях? Между Солнцем и нашим глазом мы ставим препятствие. И тогда солнечные лучики либо отражаются от него, либо поглощаются им и в наш глаз не попадают.

Значит, свет бежит к нам от Солнца по прямой линии? Выходит, так, и это легко проверить, скажем, в таком опыте. Давайте определим, насколько высоко Солнце поднялось над горизонтом. Поставим для этого на ровной асфальтовой или земляной площадке вертикальную палочку — ну, например, линейку или кусок металлической трубы. В ясный день Солнце заставит нашу палочку отбросить тень. Понятно, что чем выше Солнце, тем тень у палочки короче. Этот, пусть очень простой, прибор весьма строго указывает на высоту Солнца, и даже позволяет провести довольно точные расчеты.

Кстати, вы, наверное, догадались, на что еще похож наш прибор. Ведь тень от палочки меняет не только свою длину, но и направление. Поэтому в течение светового дня мы можем отметить различное положение тени и связать это со временем суток. Вот вам и солнечные часы.

Закрыли Солнце тучи, затянуло небо облаками. Будут ли теперь работать наши часы? Конечно, тень от палочки размывается, а в совсем пасмурный день будто исчезает. Такое можно наблюдать вечерами на открытых стадионах, когда игра на поле идет при искусственном освещении. Прожекторы светят на спортсменов со всех сторон, и их тени как бы скрадываются.

Теперь мы можем сказать, что действие нашего прибора объясняется прямолинейным распространением света. А чтобы он давал четкие показания, как и солнечные часы, нужно, чтобы свет падал только с одной стороны.

«Неча на зеркало пенять…»

Читали ли вы фантастический роман Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»? В нем шла речь о зеркальном устройстве, способном концентрировать световые лучи и направлять их мощным пучком так, что он мог прожечь металл. К сожалению, со временем выяснилось, что если бы такой прибор был построен, он не производил бы подобного эффекта. В замысел писателя вкралась физическая ошибка.

Однако свойство изогнутых зеркал концентрировать, фокусировать, пусть не до такой степени, световые лучи, широко используется. Например, если из сферического зеркала изготовить так называемую солнечную печь, то она, собирая лучи, сможет ими нагревать вещества до высокой температуры, скажем, кипятить воду. А телескоп? Разве он не собирает с большой площади своего глаза-объектива «урожай» световых лучей от далекой-далекой звезды? Фокусируя их с помощью вогнутого зеркала, он усиливает светимость звезды и позволяет нам ее разглядеть.

Или, наоборот, если в фокусе подобного зеркала разместить источник света, к примеру, свечу или лампочку, то их лучи, отразившись от зеркала, выйдут из него ровным и мощным пучком. Ну-ка, вспомните, где это применяется? Верно, в карманных фонариках, в прожекторах электричек и стадионов, на маяках, в фарах автомобилей.

А если направить лучи не на вогнутую, а на выпуклую сторону зеркала? Легко догадаться, что тогда лучи будут не собираться вместе, а, напротив, рассеиваться. Какой при этом получается эффект, вы можете обнаружить, если посмотритесь в блестящий выпуклый бок самовара или в зеркальный новогодний шарик.

Выпуклые зеркала, используемые водителями, позволяют расширить, как говорят, сектор обзора — в них видно больше предметов. А, может, вам попадались такие зеркала на перронах станций метро у головного вагона?

Как увидеть дно реки… над головой?

Не замечали ли вы одно занятное явление? Осень, с деревьев опала листва. Прошел дождь, сгустились сумерки, зажглись уличные фонари. И вот если вы посмотрите на какой-нибудь из них сквозь дерево с мокрыми голыми ветками, то увидите интересную картину. Фонарь словно окружен светящимися ломаными кольцами.

Еще одно наблюдение. В лунную ночь на тихой глади реки или озера мы увидим отражение нашей спутницы, похожее на пятно — как в плоском зеркале. Но если по воде побежит рябь или начнется волнение, то отражение Луны растянется в длинную световую дорожку. Отчего это происходит?

Два разных случая имеют одно объяснение. И мокрые ветки, и скаты волн представляют собой не что иное, как изогнутые зеркала. Обязательно на них найдутся такие места, где луч от источника света, отразившись, попадет нам в глаза. Вот и получается, что каждая веточка и каждый горб волны будто наводят на нас световой «зайчик». Но веток и волн много, «зайчиков» — тоже, они и выстраиваются то кругами, то дорожками.

Почему блестят воздушные пузыри под водой? Это — тоже отражение света, только теперь падающего на пузырь со стороны воды. Вспомните, может быть, когда вы ныряли в реке или бассейне, вам приходилось видеть, глядя на поверхность воды снизу, отраженное в ней дно. Это такой же случай, как и с пузырем. Лучик света, идя из воды, не может вырваться в воздух и отражается обратно в воду. Такое явление называется полным внутренним отражением.

Отчего рассеивается свет?

Почему поверхности одних предметов отражают свет хорошо, а других — так себе? Почему одни выглядят зеркальными, а иные — матовыми? Наверное, дело заключается в том, насколько хорошо эти поверхности отполированы.

Действительно, посмотрите внимательно на устройство самого обычного зеркала. Ведь это не что иное, как плоское стекло, покрытое с одной стороны ровной, будто отшлифованной металлической пленкой. Благодаря стеклу, эта поверхность металла может долго сохраняться плоской и отлично выполнять роль, как говорят, прямого зеркала.

А теперь взглянем на плоскость фанерной двери, окрашенной белой краской. Поверхность двери, конечно же, кажется нам светлой, но согласитесь, что никакого зеркального эффекта нет.

Всмотревшись, а еще лучше поводив пальцем по поверхности фанеры, мы убедимся в ее шероховатости. Значит, падающий на нее свет, разумеется, частично отражается, но — как попало, в разные стороны. Иными словами, свет рассеивается.

Так рассеивают солнечный свет облака, особенно в пасмурную погоду, так рассеивает свет лампы, «смягчая» его, матовый шар. Но почему мы сказали — частично отражается? А надо не забыть о том, что свет может и поглощаться. Для примера скажем о том, что хорошее зеркало даже в ясный жаркий день не нагреется, отразив почти все солнечные лучи. А белая ткань, несмотря на то, что рассеет, отразит в разные стороны многие из падающих на нее лучей, часть из них все же поглотит и немного нагреется. А уж про темную ткань и говорить не приходится.

Почему «всплывает» монетка?

Разве вам не казалось, что ложка, опущенная в стакан с водой, будто бы переломилась? «Ломаются» и шест, воткнутый в дно реки или озера, и даже наши руки, опущенные в ванну с водой.

Еще один интересный опыт. Положите на дно пустой фарфоровой чашки или эмалированной кружки монетку. Поставьте чашку на стол и сядьте так, чтобы край чашки скрывал монетку от вас. Теперь тихонько подливайте в чашку воду. В какой-то момент монетка начнет «всплывать». Заполнив же чашку водой, вы сможете увидеть ее целиком.

Какова же разгадка этих «фокусов»? Дело, видимо, в том, что лучики, отраженные монеткой, при переходе из воды в воздух преломляются. И, попадая в глаз, создают впечатление, что монетка находится выше, чем на самом деле.

Но давайте подумаем: а если лучи побегут обратно, из воздуха в воду, разве они не пойдут по тому же самому пути? Опыт показывает — да, пойдут. Значит, лучик, падающий из воздуха в воду или стекло, преломится в одну сторону. А вновь выходя в воздух, как в оконном стекле, преломится, на столько же выправив свою траекторию, в другую. Поэтому-то он и пойдет в прежнем направлении.

Случай с кажущимся подъемом предметов в воде и действием плоских прозрачных пластинок объясняется с помощью закона преломления света. Он связывает между собой углы, под которыми лучи света падают на границу прозрачных тел, с углами, под которыми они преломляются.

Как лучик можно повернуть?

Лучше всего преломление света можно наблюдать в так называемой призме. Это уже не плоская пластинка из прозрачного вещества, а сделанная в виде клина.

Посмотрите сбоку на острие топора. Вы заметите, что оно имеет клинообразную форму треугольника. Такую же форму будет иметь в сечении, скажем, стеклянная призма. Луч, падающий на одну из ее граней, преломится затем дважды — на входе в стекло и на выходе. Видно, что выходящий луч отклонится от начального направления в сторону третьей грани или, как еще говорят, в сторону основания призмы.

Закон преломления света позволяет точно рассчитать поведение луча в самых разных призмах. Лучи могут отразиться от внутренней поверхности стекла и повернуть назад, поменяться местами или отклониться на какой-то нужный нам угол. Выяснилось, что одни прозрачные вещества преломляют свет сильнее, другие — слабее. Это также учитывается при конструировании оптических приборов с применением призм.

Например, можно построить перископ не с помощью зеркал, а используя призмы. А как вы думаете, что находится внутри полевого бинокля? Ведь глядя через него, мы как бы расставляем глаза. И чтобы лучи света попали в конце концов в них, им внутри бинокля приходится бежать по ломаной линии. А меняют их направление опять же призмы.

Вот еще хорошо знакомый вам пример — катафот, или уголковый отражатель. Его укрепляют сзади на велосипедах или на спицах колеса. Рассмотрите его внимательно, и вы увидите множество маленьких призмочек, отражающих падающий на катафот свет в обратном направлении.

Куда отклонят линзы луч?

Мы, безусловно, уверены, что вы никогда не занимались таким скверным делом, как выжигание лупой на парковых скамейках. Ведь неприятно, правда, когда деревянные скамьи напоминают выставку малопривлекательных художеств? А вот дома на фанерке или на доске — выжигайте себе, пожалуйста.

Это действительно очень интересный процесс. Отнюдь не всякое стеклышко годится для выжигания. Почему, скажем, для этого берут лупу? А вы посмотрите на нее сбоку. По краям, где она утоньчается, она напоминает треугольную призму. Ага, значит падающие на нее с одной стороны лучи света после преломления будут отклоняться к ее толстой части, к серединке. Вот и получается, что такая лупа, или, как еще ее называют, линза, соберет, сфокусирует лучи. Поэтому-то и можно с ее помощью собрать солнечный свет в маленькое яркое пятнышко, да еще так, что в нем загорится бумага или задымит, обугливаясь, дерево.

Не похоже ли это на действие вогнутого зеркала? Конечно, — причем законы, описывающие ход лучей в линзе и зеркале, будут абсолютно одинаковы.

Но ведь зеркала могут не только собирать, но и рассеивать свет. А линзы? И среди них есть как собирающие, типа лупы, так и рассеивающие. Легко, наверное, догадаться, что у рассеивающих линз серединка будет тоньше, чем ее края. Иногда это различие можно обнаружить на ощупь, например, проводя с двух сторон пальцами по стеклам очков.