Как колебания мерят время?

Маятник все время связывают с часами, а вот в чем состоит его роль в них, знают не все. Ну, допустим, делает маятник длиной в 1 м одно колебание в секунду (туда — секунда, обратно — секунда). А какое отношение это имеет к часам? Что, часы считают и складывают эти секунды, как механический арифмометр? Да и вообще, для чего были придуманы громоздкие и сложные маятниковые часы, когда были весьма точные водяные и песочные?

Ну, прежде всего, никто не отменял часы водяные и песочные. Водяные мы видели в телепередачах из форта Байяр, а песочные сплошь и рядом используются в практической жизни, хотя бы в физиотерапевтических кабинетах. Вставили, допустим, в ухо прогреватель и перевернули часы. Как пересыпается песок — конец процедуре.

Но заметим, что постоянно «идущих» песочных часов не может быть в принципе. Они, как говорят, дискретного действия. А человеку стали нужны часы, постоянно отмеряющие время. Хотя бы для того, чтобы «сверять часы». Чтобы в разных домах и даже городах полдень и полночь наступали одновременно, а не вразнобой. И тогда вспомнили о маятнике, о том, что он имеет один и тот же период колебаний независимо от величины их размаха или амплитуды. Но при этом встают две проблемы: как поддерживать колебания маятника, чтобы он не остановился, и как складывать периоды колебаний, выдавая общее, суммарное время.

Помните, в самом начале повествования о колебаниях мы упомянули медведя, толкающего подвешенный на веревке чурбан. Так вот, первую проблему этот медведь уже решил — толкая чурбан, он поддерживает незатухающие колебания маятника. И если бы этот медведь был ученым (или вместо него на дереве сидел бы человек с калькулятором) и считал бы каждое колебание, складывая их, и выдавал бы сумму, то это были бы самые настоящие маятниковые часы. Остается только заменить этого медведя механизмом.

Эго было сделано уже в VI в. н. э., к которому относятся первые упоминания о механических часах. Но достоверные сведения о первых часах появились лишь в конце 900-х гг. (успели-таки сдать объект в первой тысячелетке!), когда французский монах Жербе (кстати, ставший в 999 г. папой Сильвестром Вторым) построил достаточно точные.

механические часы с гирей (рис. 99). Часы постепенно улучшались и к 1300 г. появились во многих городах Европы. Заметим, что у таких часов стрелка была всего одна, и часто вместо стрелки вращался циферблат, а стрелка закреплялась неподвижно. В древней Москве, в частности, были именно такие башенные часы — с вращающимся циферблатом, причем, как писали, вращался он со страшным скрипом, так как его забывали смазывать.

Маятник древних часов был поперечным — линейка с двумя грузами на концах связывалась с особой шестерней с острыми зубьями так, чтобы при одном колебании успевал проскакивать только один зубец. Этот же зубец толкал (как медведь!) маятник, не давая его колебаниям затухнуть. Таким образом скорость вращения этой шестерни непосредственно кинематические. 99. Средневековые мехаки связывалась с колебаниями маятнинические часы с гирей ка, например, один оборот шестерни, содержащей десять зубьев, происходил за десять колебаний маятника. Если период колебаний был равен 1 секунде — то за 10 секунд. Оставалось только связать системой зубчатых колес эту шестерню со стрелкой, чтобы та вращалась в 4 320 раз медленнее, и дело сделано. Часовая стрелка или циферблат (как кому нравилось) совершали при этом полный оборот за 12 часов!

Но это были часы не очень совершенные. Точность их хода сильно зависела от величины подвешенного груза, который и вращал шестерню, и толкал таким образом маятник. Восстанавливающая сила (загляните в пример с медведем!) зависела от массы груза, «смазанности» механизма и других причин, что делало часы неточными и ненадежными.

Изобретением настоящих, точных и надежных маятниковых часов мы обязаны Христиану Гюйгенсу, который создал их в 1656 г. Вся прелесть часов Гюйгенса была в том, что маятник совершал свои колебания под действием восстанавливающей силы, зависящей только от силы тяжести, то есть постоянной (для жителей Земли, разумеется). И, как мы знаем, даже подъем на горы и спуск в шахты, а также изменение плотности воздуха из-за погоды почти не влияли на период колебаний такого маятника.

Это был обычный маятник — груз, подвешенный на стержне с возможностью изменения длины его подвеса, чаще всего обычной гайки на резьбе, что нужно для точного регулирования периода колебаний. Вся хитрость состояла в так называемом спусковом механизме, таком, который позволял бы сделать колебания маятника незатухающими, и в то же время почти не изменял бы периода его колебаний.

Спусковой механизм (рис. 100, а) состоит из спускового колеса 7, так или иначе подгруженного гирей 4 (на рисунке она свисает справа, подгружая колесо 1 по часовой стрелке), и анкера 2, связанного с ма;

Рис. 100. Спусковой механизм маятниковых часов:

а — общий вид: 1 — спусковое колесо; 2 — анкер; 3 — маятник; 4 — гиря; б — спусковой механизм усовершенствованного типа ятником 3. Зубья колеса 1 толкают поочередно то левое, то правое плечо анкера 2, раскачивая маятник 3. При этом с каждым качанием проскакивает по одному зубу спускового колеса, делая таким образом частоту его вращения зависящей от периода колебаний маятника. Связать спусковое колесо со стрелками часов — часовой и новой, второй стрелкой — минутной было уже делом техники. Секундная стрелка появилась совсем в новое время, когда счет времени пошел на секунды. Наиболее точный ход часов — при малых амплитудах колебаний маятника, порядка 3−8 °. На рис. 100, б показаны усовершенствованные спусковое колесо и анкер реальных маятниковых часов. Видно, что в анкере закреплены по его концам так называемые палеты, изготовленные из закаленной стали или даже твердых камней, обычно агата или рубина. Длина палет регулируется так, чтобы они поочередно выходили из зацепления со спусковым колесом, и оставшаяся в зацеплении палета толкала анкер и весь маятник слева направо. Обратно же маятник возвращается сам.

Всем хороши маятниковые часы — и точны, и несложны, но не переносят тряски и качки. Попробуйте, наклоните маятниковые часы вбок — и анкер перестает работать. Поэтому их особенно точно «выставляют» в вертикальное положение и закрепляют так.

Что ж, для башенных, напольных, настенных часов маятник очень удобен. Но людям хотелось бы «носить» время с собой — иметь карманные или наручные часы. Маятник здесь неуместен, даже смешон. И еще одна проблема — точное время очень нужно морякам для определения координат корабля в открытом море. А маятниковые часы «болеют» морской болезнью — не выносят качки. Вот в первую очередь для морских дел и были созданы часы с балансирным (или балансовым) маятником.

Мы уже говорили, что восстанавливающая сила может быть не только силой тяжести, но и силой упругости. Вот и был заменен маятник, фактически вращающийся на ограниченный угол в 3−8°, массивным кольцом-маховичком, поворачивающимся уже на 270−300°. А так как в кольце этом, или балансе, силы тяжести уравновешены, в отличие от маятника, то в положение равновесия его приводила тоненькая спиральная пружинка, называемая волоском. Вот мы и получили устройство, изображенное на рис. 101, а. То же спусковое колесо 7, тот же анкер 2, но вместо маятника колеблется баланс 4, подпружиненный пружинкой-волоском 3. На рис. 101, б показана более усовершенствованная схема спускового механизма с балансом. Здесь палеты ударяют по несколько видоизмененным зубьям колеса и толкают баланс, подпружиненный волоском. Период колебаний баланса регулируется изменением длины закрепления этого волоска, что можно видеть, если снять крышку, например, с механического будильника. А кроме того, вместо громоздких гирь часы стали снабжаться энергией от компактной заводной пружины-двигателя.

Рис. 101. Спусковое устройство часов с балансом:

а — общий вид: 1 — спусковое колесо; 2 — анкер;

3 — пружинка-волосок; 4 — баланс; б — усовершенствованная схема спускового механизма с балансом В результате получили механизм, изображенный в «развернутом виде» на рис. 102. Это современные механические часы, не уступающие своего места часам электронным. Одно время, в самом конце XX в., казалось, что механическим часам пора «на пенсию». Но оказалось, что они стали даже еще престижней электронных. Особенно с самоподзаводом (очередным «вечным двигателем», работающим от движения руки), календарем и прочими удобствами.

Забегая вперед, скажем, что и в кварцевых, и в чисто электронных часах вес равно «эталоном» времени являются колебания. Разница лишь в том, как эти колебания преобразуются и «выводятся» на стрелочный или цифровой индикатор.

Рис. 102. Механизм современных механических часов.

Что слышат люди, киты и вампиры?

Рис. 103. Продольные волны в пружине.

Колебания не обязательно возникают только там, где есть масса отдельно и пружина отдельно. Если пружина достаточно массивна, то она может вызывать колебания и сама, стоит только их возбудить. Если резко толкнуть пружину, так, как показано на рис. 103, то она придет в колебательное движение, по ней как бы пойдут волны. Такие волны, которые идут вдоль упругого тела, вызывая его попеременное сжатие и растяжение, называются продольными.

Рис. 104. Стоячие волны на поверхности воды.

Бывают еще волны поперечные, или стоячие. Если бросить камень в воду, то от него пойдут именно волны поперечные (рис. 104). Очень наглядно образуется поперечная волна на слабо натянутой веревке, если ее дернуть поперек (рис. 105). Это покажется странным, но именно такой волной является волна световая, да и радиоволна. Об этом мы поговорим попозже, а пока посмотрим, что это за волны — звуковые.

Рис. 105. Стоячие волны на веревке.

Воздух — та же пружина, только без отдельных витков, непрерывная. И если мы будем поступать с воздухом так же, как и с пружиной на рис. 103, то он также придет в колебательное движение (рис. 106). Воздух имеет достаточную массу — около 1,3 кг/м³, он упруг — под поршнем ведет себя как настоящая пружина. Поэтому и по.

_ _ _ нему пойдут продольные вол;

Рис. 106. Продольные волны в столбе _{как и по}

воздуха Частота колебаний, измеряемая в герцах, это величина, обратная периоду. Если период колебаний маятника 2 секунды (помните маятник метровой длины?), то его частота -½ Гц. Так вот, если колебания воздуха совершаются с частотой от 16 до 20 000 Гц, то это воспринимается как звук. Только очень большие «слухачи» могут услышать весь этот интервал частот. Обычно слышат от 20 до 18 000 Гц; 20 Гц — это, пожалуй, раскаты грома, а 18 000 — тончайший комариный писк.

Рис. 107. Летучие мыши охотятся за насекомыми с помощью ультразвука.

У пожилых людей верхний порог слышимости иногда понижается до 6 000 Гц; напротив, нёкоторые дети слышат до 22 000 Гц. А собаки могут услышать и до 38 000 Гц, т. е. идут, пожалуй, наравне с грудными младенцами.

Еще дальше зашли в этой способности летучие мыши (некоторых из них называют «вампирами»). Они могут издавать и воспринимать звуки от 25−50 до 210 000 Гц — это самое большее, на что способны животные (рис. 107).

Используют они эту способность для «эхолокации» при полетах в темноте. Женщины не зря боятся летучих мышей — густые, пышные женские волосы являются как бы «звуковой ямой» для звука, он от них не отражается. И обманутая летучая мышь может, не разобравшись, вцепиться в волосы.

Звуки с высокой частотой, свыше 20 000 Гц, называются ультразвуками. Они очень слабо рассеиваются, идут как бы «лучом» и поэтому очень удобны для локации. По этой причине не только летучие мыши, но и современные приборы — сонары, используют ультразвук для эхолокации, особенно в воде (рис. 108).

Ультразвук сейчас широко используется в технике и быту. Кто не знает ультразвуковые стиральные машинки — «таблетки» или «шарики» — они бережно стирают ткани, расходуя крайне мало энергии.

Рис. 108. Эхолокация в воде

В медицине ультразвуком успешно «просвечивают» и тело человека, причем это «просвечивание» не опасно, как, например, рентген. Интересно, что ультразвуком можно «просветить» и огромные толщи металла — в 1 м и более, что совершенно недоступно для рентгена. Ультразвук свободно распространяется в металле и, отражаясь неоднородностями (пустотами, раковинами, трещинами), показывает это. На этом принципе устроены приборы — дефектоскопы, где сигналы ультразвука от излучателя и, проходя через металл, улавливаются щупом щ и передаются приемнику (рис. 109).

Рис. 109. Схема ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвук губительно действует на бактерии и даже на холоднокровных животных — мелкие рыбы и лягушки погибают при облучении ультразвуком за 1−2 минуты. Но для человека он неопасен, иначе бы «не просвечивали» им беременных женщин.

Сейчас ультразвук делят на три диапазона: низкие частоты — до 10⁵ Гц; средние —до 10^s—10⁷ Гц и высокие-до 10' Гц. Упругие волны с частотами 10⁹—10‘³ Гц называют уже гиперзвуком. А чаще — просто не бывает, потому что эти волны по длине соответствуют уже межатомному расстоянию в твердых телах.

Что же бывает, когда частота звука меньше 16 Гц? Такие колебания называются инфразвуком. Прекрасно распространяясь в воде, инфразвуки помогают китам и другим морским животным ориентироваться в толще воды. Сотни километров — для инфразвука не помеха.

Своеобразно воздействие инфразвука на человека. Как-то в театре для пьесы о временах Средневековья заказали знаменитому физику Р. Вуду (1868−1955) огромную органную трубу, кажется, в 40 м длиной. Чем длиннее труба, тем ниже звук она издает. Такая длинная труба должна была издать уже не слышимый человеческим ухом звук. Звуковая волна в 40 м длиной соответствует частоте около 8 Гц, это вдвое ниже нижнего предела слышимости по высоте. А когда попробовали на спектакле воспользоваться этой трубой, получился конфуз. Инфразвук такой частоты хотя и не был слышим, но близко подошел к так называемому альфа-ритму человеческого мозга (5−7 Гц) и вызвал у людей чувство страха и паники. Зрители разбежались, устроив давку.

Вообще, эти частоты опасны для человека. Существует мнение, что ветер, отражаясь от длинных волн в океане, может породить инфразвук, губительно действующий на психику людей. Таким образом иногда объясняют таинственное исчезновение людей с кораблей в океане, в частности в Бермудском треугольнике. Впали, дескать, в панику и повыкидывались с кораблей…

Громкость или амплитуда звуковых колебаний — одна из главнейших характеристик звука. Громкость измеряют в децибелах, это в честь изобретателя телефона физика А. Г. Белла (1847−1922). Самый слабый звук, воспринимаемый нашим ухом, — около 10 дБ. Крик — 70 дБ. Сильнейший раскат грома — около 100 дБ, а свыше 130 дБ — уже воспринимается как боль в ушах. Что же это получается: таканье наручных часов на расстоянии 1 м — 30 дБ, а в 4 раза громче — уже глохнешь?

Дело в том, что громкость звука здесь не пропорциональна децибелам. Как мы уже знаем, 10 дБ, или 1 Б (удивительно, зачем было вводить эти децибелы, когда просто в белах гораздо удобнее и короче?), — наиболее слабый звук, еще воспринимаемый нормальным слухом. Но за начало отсчета, или за 0 Б, принимается звук в 10 раз более слабый. Вдруг да кто-нибудь услышит! Звук в 2 Б, или 20 дБ, — уже не в 2, а в 100 раз более сильный, чем в 0 Б, и т. д. То есть числом бел измеряют порядок увеличения громкости звука. Звук в 10 Б (или 100 дБ) имеет громкость в 10¹⁰, или 10 миллиардов, раз более громкий, чем пороговый в 0 Б! Крик тети Сони из Одессы мы оцениваем в 7 Б (70 дБ), а вдвое больше -14 Б (140 дБ) — это звук при запуске межконтинентальной ракеты, от которого можно оглохнуть. Так этот звук не в 2 раза, а в 10⁷, т. е. в 10 миллионов раз, более громок, чем крик тети Сони!

И всю эту уникальную «палитру» звуков — от 16 до 20 000 Гц, и от 1 Б до звуков в миллиарды раз более громких — воспринимает и передает в головной мозг наше ухо.

Рис. 110. Устройство человеческого уха:

/ - барабанная перепонка; 2 — сочлененные косточки; 3 — овальное окно; 4 — основная мембрана Ухо представляет собой сложный звукоприемный аппарат, работающий в чрезвычайно широком диапазоне частот и амплитуд. Звуковые волны достигают нашего наружного уха — его ушной раковины, которая представляет собой рупор, собирающий звуковые волны. По наружному слуховому проходу звуковые волны достигают барабанной перепонки 1 (рис. 110), отделяющей наружное ухо от среднего. Под влиянием приходящих волн эта перепонка колеблется, совершая вынужденные колебания с частотой воспринимаемого звука. Колебания барабанной перепонки через посредство действующей как рычаг системы сочлененных косточек 2 (молоточка, наковальни и стремечка) передаются так называемому овальному окну 3, закрывающему внутреннюю полость ушного лабиринта. Ушной лабиринт в той его части, где лежат чувствительные к механическому раздражению окончания слухового нерва, наполнен жидкостью — эндолимфой.

Внутри находится так называемая основная мембрана 4, состоящая из нескольких тысяч (около 4 500) волокон различной длины, настроенных каждое на некоторый определенный тон. Пришедшие во внутреннее ухо звуковые волны обуславливают колебания тех волокон основной мембраны, которые настроены на частоты, содержащиеся в этих волнах.

Из приведенного выше описания слухового восприятия становится понятным, почему наше ухо способно различать отдельные тоны в сложном звуке, например в музыкальном аккорде. Большое значение имеет то, что у нас не одно, а два одинаковых уха. Оценивая с помощью двух ушей силу звука, мы можем определить направление, по которому он до нас доходит. Когда же одно из наших ушей заткнуто, мы не можем точно определить, откуда к нам несутся звуки. Слушая двумя ушами, мы всегда можем повернуть голову так, что будем смотреть в направлении источника звука (рис. 111).

Но это не всегда просто сделать. Если звук раздается в месте, одинаково отстоящем от обоих ушей, направление источника звука может Рис. 111. Звуковая «локация» человека быть определено ошибочно.

В этом случае полезно не поворачивать сразу лица на шорох или звук, а, напротив, отвернуть его в сторону, направить на него таким образом одно из ушей. И по разности громкости звука в правом и левом ухе мы легко определим направление, откуда раздается звук. Мы иногда инстинктивно и делаем это, когда прислушиваемся.