Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Несомненно, различные объекты могут вибрировать с частотой меньше чем 15/с и больше чем 20 000/с; когда это случается, то получаемые в результате звуковые волны нам не слышны. Те звуковые волны, которые находятся ниже порога нашего слухового восприятия, называются «инфразвуковыми волнами» (infrasonic — от латинских слов, означающих «ниже звука»), в то время как те волны, которые являются слишком высокими для того, чтобы мы их услышали, называются «ультразвуковыми волнами» (ultrasonic — от латинских слов, означающих «выше звука»). В повседневной жизни более приняты упрощенные названия: «инфразвук» и «ультразвук».

Инфразвуковые волны играют сравнительно незначительную роль в повседневной жизни, кроме случаев, когда они становятся достаточно энергичными, чтобы нанести физические повреждения, например при землетрясениях. Ультразвуковые же волны воздействуют на нас более часто и различными способами. Во-первых, они неслышимы не для всех форм жизни; многие животные могут и слышать их, и воспроизводить. «Беззвучные» свистки, на которые реагируют собаки, производят волны ультразвуковой частоты, которые мы не слышим, но которые прекрасно слышат собаки. Поющая канарейка воспроизводит ультразвуковые волны, которые, несомненно, очень украсили бы ее песни, если бы мы могли их услышать. Писк мыши содержит ультразвук, который мы не слышим, зато его слышит кот, что весьма увеличивает эффективность его охоты.

Ультразвуковые волны, длины волн которых даже короче, чем таковые самых пронзительных звуков, которые мы можем услышать, весьма эффективно отражаются даже достаточно маленькими объектами. Летучие мыши пользуются преимуществами этого факта. При полете они испускают непрерывный писк, который представляет собой ряд ультразвуковых импульсов с частотами от 40 000 до 80 000/с, то есть с длиной волны от 8 до 4 миллиметров. Даже тонкий прутик или мелкое насекомое будут иметь тенденцию отражать звуки столь короткой длины волны; летучая мышь, чей писк имеет чрезвычайно короткую продолжительность, ловит слабое отраженное от предметов эхо. Таким образом, летучая мышь летит на слух и может точно и эффективно продолжать полет, даже в условиях полной слепоты. Процесс, посредством которого летучая мышь ориентируется в пространстве, называется «эхолокацией».

Люди научились использовать этот эффект, испуская при помощи специального прибора пучки ультразвуковых волн под водой. Они отражаются от различных морских объектов: дна моря, выступов на нем, камней, лежащих на морском дне, или плывущих косяков рыбы или субмарин. Такой прибор называется «гидролокатором» или «сонаром». SONAR (Sound Navigation And Ranging) — это аббревиатура, расшифровывающаяся как «звуковая навигация и размерность» (в данном случае слово «размерность» означает определение геометрических размеров тел, но, зная геометрические размеры и скорость распространения звука в воде, мы всегда можем определить и расстояние до объекта).

Несколько раз в данной книге я упоминал понятие теплоты, особенно в конце седьмой главы, когда рассматривал сохранение энергии. Однако я не остановился на этом понятии и не стал рассматривать его подробно, так как для этого сначала требовалось подробно рассмотреть свойства жидкостей и особенно газов. Теперь мы уже достаточно хорошо познакомились с этими свойствами, а поэтому желательно опять вернуться к рассмотрению понятия «теплота».

Теплота наиболее хорошо знакома нам по личным ощущениям. Мы чувствуем горячее и холодное и знаем, что подразумеваем, когда говорим, что один объект «более горячий», чем другой. Характеристика объекта, которая определяет, насколько данный объект горячий или холодный, называется его «температурой».

Температура имеет огромное значение для физиков, потому что очень многие из свойств материи, с которой они имеют дело, изменяются вместе с температурой. В предыдущей главе, например, я упомянул, что скорость звука изменяется в зависимости от температуры. Еще, например, объем данной массы воды увеличивается, когда температура ее находится вблизи точки кипения, а значит, плотность ее уменьшается. Горячая вода обладает более слабыми силами сцепления, чем холодная, так же ведут себя и вязкость, и поверхностное натяжение, которые уменьшаются по мере повышения температуры. Даже такие кажущиеся неизменяемыми величины, как длина железного прута, тоже изменяются в зависимости от температуры.

Из этого всего следует, что, если физик собирается сделать некие надлежащие обобщения, рассматривающие всю Вселенную, он должен знать, как свойства материи изменяются в зависимости от температуры, и, конечно, должен быть способен точно измерить эту температуру. Наши субъективные чувства недостаточно точны в зависимости от разных условий и иногда чрезвычайно неточны, поэтому для этой цели они непригодны.

Например, полированная металлическая поверхность, подвергнутая воздействию температуры замерзания воды, при прикосновении будет казаться нам намного более холодной, чем полированная деревянная поверхность, подвергнутая воздействию тех же самых условий. Еще больший парадокс можно получить в результате известного эксперимента. Если вы поместите одну руку в ледяную воду, а другую руку — в горячую и подержите их там в течение нескольких секунд, затем поместите обе руки в один и тот же сосуд с теплой водой, вы будете одновременно чувствовать, что теплая вода стала горячей (вашей холодной рукой) и холодной (вашей горячей рукой).

Поэтому появляется необходимость в средствах, которые позволили бы объективно измерять величину температуры. Логический метод состоит в том, чтобы найти некое свойство, которое изменяется в очевидно однородной манере одновременно с изменением температуры, а затем связать установленные изменения в температуре с установленными изменениями в этих свойствах. Для этой цели физики используют множество различных температурно зависимых свойств, но наиболее часто используемое свойство, характерное для диапазона температур, с которым мы встречаемся в повседневной жизни, — это свойство объемного расширения. Объем данной массы материи обычно увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере ее падения. (Я говорю «обычно», потому что и из этого правила встречаются некоторые исключения.)

В случае жидкостей и твердых тел изменение в объеме в зависимости от температуры весьма невелико и фактически неразличимо глазом. Таким образом, стальной прут длиной в один метр при нагревании его от температуры таяния льда до температуры кипения воды увеличится в длине на один миллиметр, то есть на одну тысячную часть. Так как расширяющийся прут обладает объемом, то другие измерения также увеличатся на одну тысячную часть, и если стальной прут обладает круглым сечением с радиусом в один сантиметр, то этот радиус увеличится на одну сотую миллиметра.

Несмотря на то что такие изменения крайне невелики, не следует недооценивать их значительность. Длинные металлические прогоны типа тех, что используют в мостах, или длинные рельсы типа тех, что используют на железнодорожных путях, расширятся и согнутся под горячим летним солнцем, если жестко закрепить оба их конца. Чтобы избежать этого, между сопряженными деталями оставляют небольшое свободное пространство, куда они могли бы расшириться. Даже незначительное изменение в длине маятника часов слегка изменит его период, поскольку этот период зависит от его длины. Ошибка в измерении времени, которая этим вызвана, является совокупной и создает необходимость периодической корректировки часов летом, несмотря на то что при более холодных температурах они показывают точное время.