Чому ми чуємо звук
Навколишній світ сповнений загадок. І часто він з'являються на, здавалося б, рівному місці. Ну що скажіть, дивовижного в тому, що ми чуємо звуки? Та будь-який школяр-старшокласник, якщо його запитати про це, відразу затараторить про коливання повітря, про барабанну перетинку, про вібрації голосових зв'язок і т.д.
Однак тут є щось, чого не знає не лише старшокласник, а й ті, хто пишуть для нього підручники. Чи бачите, якщо оцінити енергію броунівського руху молекул повітря, то вона виявиться набагато більшою за енергію мовної звукової хвилі. Це означає, що хаотичний тепловий рух молекул повинен настільки швидко розмітати слабкий упорядкований струс повітря, створений голосовими зв'язками, що слова замруть біля наших губ, і співрозмовник повинен чути тільки якесь шипіння або гул, тобто те, що фізики називають «білий шум» .
Проте ми чудово чуємо будь-які слова, вимовлені пошепки з відстані кілька метрів. Виходить, що у нашій теорії десь проблема. Але де? У чому тут річ? Щодо цього у мене є одна гіпотеза.
Як відомо, голосові зв'язки людини можуть робити звук із частотою приблизно від 20 Гц до 20 кГц. Тепер подивимося, що нам відомо про броунівський рух молекул газу. З підручника фізики можна отримати відомості про те, що середня квадратична швидкість молекул газу
за нормальних умов дорівнює V =
де R - Постійна газова,
Т - абсолютна температура,
М - молекулярна вага.
Підрахунок за цією формулою для Т = 300 К (тобто 27 ° С) дає: для кисню V 483 м/с, для азоту V 517 м/с. Оскільки азот і кисень — основні компоненти повітря, то для оцінки можна прийняти, щоVср=500м/с.
Після цього у тому ж підручнику можнапрочитати, що довжина вільного пробігу молекули, тобто довжина пробігу між двома наступними зіткненнями, за нормальних умов становить повітря 600 А чи 6 ·10 - 8 метра . Пролетівши свої 600 ангстрем зі швидкістю 500 м/с, молекула стикається з іншою і різко змінює напрямок руху. Знову пролетівши 600 ангстрем, вона стикається знову і таке інше. Такі зіткнення повинні породжувати коливання повітря в певному діапазоні частот. Значення цих частот легко оцінити, розділивши середню квадратичну швидкість на довжину пробігу:
= 8,4 • 109 Гц = 8,4 гГц.
Таким чином, броунівський рух молекул повітря генерує безладні коливання в діапазоні 10 гігагерц — це на п'ять порядків вище за максимальну частоту людського голосу (20 кГц).
Отже, на наше щастя слабкі звукові хвилі дуже надійно відбудовані за частотою від енергетично сильного броунівського хаосу. Напевно, саме тому ми здатні чути і крик нічного птаха в тихому літньому сутінку, і шелест листя в саду за вікном. Нам просто пощастило, що рух частинок повітря дуже швидко, а його щільність досить велика. З погляду звуку частки повітря хіба що нерухомі: їх вібрації настільки часті й дуже жорстко локалізовані у просторі, що не відчуваються звуковими хвилями. Звукова хвиля має справу не з окремими молекулами, а з ансамблями, сукупностями молекул, тому її релаксація, тобто згасання, визначатиметься не броунівським рухом, який у даному випадку уособлює внутрішню енергію ансамблю, а зовсім іншими, статистично значущими макропроцесами спрямованого руху великих мас часток. По відношенню до звуку повітря постає як якесь інертне єдине середовище.
Такі гази, розглядаючиякі, можна відволіктися від їхньої молекулярної будови, у фізиці називаються суцільними середовищами. А вивчає їх аерогідродинаміка. Тому, розмірковуючи про звукові хвилі, слід керуватися не енергетичним, що дає безглуздий результат, а іншим — аерогідродинамічним підходом. У цьому випадку все постає на свої місця і теорія перебуває у повній згоді з практикою.