Колебательные процессы в природе и технике

В 1861 году известный французский  ученый Фуко построил маятник, при помощи которого можно убедиться в том, что Земля вращается.

 

3.2 Часы

Современные часы бывают разнообразной формы и могут  иметь различное строение. Все происходит во времени и время нужно точно определять и измерять.

Всегда ли люди имели  точные способы измерения времени?

Уже в старинные времена  человек начинает измерять время. Периодические  восход и закат Солнца становятся главным фактором для измерения времени. Часы дня измеряют по высоте Солнца над горизонтом; так возникли солнечные часы.

Затем изобрели водяные  часы - клепсидр .Время действия клепсидра  можно было рассчитать на сутки, часы и минуты, в зависимости от вместимости  сосуда и диаметра отверстия через который вытекала вода. Разновидность клепсидра – песочные часы.

Только в Х11в. были изобретены колесные часы с гирями. Позднее эти часы усовершенствовали. Галилей открыл явление: маятник  сохраняет постоянство периода  колебаний. Позднее он высказал мысль о возможности применения маятника в часах, но осуществить это удалось только в середине ХYII столетия голландскому ученому Гюйгенсу.

Чтобы обеспечить равномерный  ход часов, Гюйгенс создал специальный  механизм. К оси маятника был пристроен специальный согнутый равноплечий рычаг, имевший два зубца, которыми он сцеплялся с ходовым колесом. Последнее приводилось в движение гирей, которая была подвешена к цепи, переброшенной через зубчатое колесо. Так маятник стал механизмом для равномерного хода часов. Колесные часы потом заменили на часы с пружинным заводом.

 

3.3 Проводники звука

                Где бы мы ни находились, что бы ни делали – нас всюду сопровождают различные звуки.

Мы привыкаем к обычным  звукам и часто не замечаем их.

Для восприятия звуков человек  имеет тончайший аппарат – ухо. Слух, имеет огромную роль и в жизни животных. Он помогает животным выслеживать добычу, предупреждает их об опасности.

Звуковая волна может  проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак- на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложите ухо к рельсам, ивы услышите шум приближающегося  поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух. Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Перед Куликовской битвой князь Дмитрий Донской сам выехал на разведку в поле и , приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ.

Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо  слышать, как стучат друг о друга  камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а так же для измерения морских глубин.

Для звука есть только одна преграда, и ее легко обнаружить. Если завести будильник и накрыть  его колпаком, то звук будет слышен. Но если из-под колпака выкачать воздух, то звук исчезнет. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. Должна быть обязательно упругая среда. Звуковая волна – чередование сгущений и разряжений. А если нет среды, то что будет сгущаться?

3.4 Шум и борьба с ним

По действию, производимому  на нас, все звуки делятся на музыкальные звуки и шумы. Чем они отличаются друг от друга? Чистый музыкальный звук всегда имеет определенную частоту. Шум – это множество самых различных, одновременно несущихся звуков.

Шум (особенно громкий) вредно отражается на здоровье и трудоспособности людей. Продолжительное действие шума вызывает утомление. В природе громкие звуки редки. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение. Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, шум прибоя приятны человеку. Они успокаивают, снимают стресс.

Длительный шум неблагоприятно влияет на органы слуха, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток.

Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового  давления – децибелах:. 20-30 децибел  – безвредно для здоровья

80 – допустимая граница

130 – вызывает у  человека болевые ощущения в  ухе и даже чувствует кожей

150 – непереносимость  ( в средние века “ казнь  под колоколом”)

Развивая технику, человек  заменяет труд человека работой машин. А это влечет увеличения шума. Следовательно, открываются и новые пути борьбы с ним.

Моторы, машины закрываются  оболочками, поглощающими звук. Телефонные будки обиваются прессованными плитками. Ставятся особые фундаменты. Двойные стены, двойные или даже тройные окна. Но защититься от внешнего шума очень трудно.

 

 

3.5. Как слышит ухо

Для улавливания звука  у человека и у животных есть специальный орган – ухо. Это – необычайно тонкий аппарат. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определенные ощущения, которые и воспринимаются нашим сознанием.

С давних пор человека интересует устройство и работа этого  удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко не все в этой области выяснено.

Орган слуха делится  на три части: наружное, среднее и  внутреннее ухо. Наружное ухо – ушная  раковина. От нее идет слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой.

Для свободного колебания перепонки необходимо, чтобы давление с обеих сторон было одинаковым.

В среднем ухе находится  ряд косточек. Они предают колебания  во внутреннее ухо. Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны и  некоторые из них до сих пор  не изучены.

Звуковые волны, попадая  в слуховой канал, приводят в колебание  барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебание передается жидкости улитки внутреннего уха. Волнообразное  движение этой жидкости влечет за собой  раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания. Но этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться костями черепа.

Не все люди одинаково  чувствительны к звукам разной частоты. Дети без напряжения могут воспринимать звуки частотой до 22000Гц. У стариков чувствительность ограничена . 10 – 12 тысяч.

 

 

 

 

3.6 Неслышимые звуки

Мир звуков, которые слышит наше ухо, занимает область от 18 до 20000 Гц. Колебания, лежащие за этими границами  нам не слышны, но природа этих колебаний тождественна со слышимыми звуками, их относят к категории звуков. Эти колебания могут восприниматься животными и насекомыми. Колебания с частотами ниже 16 Гц – инфразвуки, а колебания с частотой выше 20000 Гц – ультразвуки. Область слышимых звуков не имеет четких границ. Мы можем слышать инфразвуки, лежащие близко к нижней границе звука. Дело в том, что инфразвуки, как правило, сопровождаются слышимыми призвуками ( обертонами ). Родство таких инфразвуков со звуком ухо способно ощущать.

Нечетко очерчена и верхняя граница. Ультразвуки с частотой до 24000Гц могут восприниматься людьми с очень острым слухом. Выше этого предела ультразвуки слышат многие животные и насекомые (например, летучие мыши слышат ультразвуки с частотой до 70000 Гц).

Инфразвуковые колебания легко возникают в длинных трубах. Например, 10-метровая труба органа дает основной тон частотой около 16 Гц. Звук этой трубы подобен раскату грома. Инфразвуки возникают в печных и фабричных трубах при топке.

Один из интереснейших  видов инфразвуков – это “голос моря”. При шторме на море ветер возбуждает вихри, периодически срывающиеся на гребнях волн. Получающиеся при этом колебания воздушной струи распространяются вдаль в форме инфразвука и могут быть обнаружены на расстоянии в сотни километров.

Явления, близкие к  инфразвуку, представляют собой колебания, возникающие при выстрелах и  взрывах.

Самым интересным свойство инфразвуков является их способность  распространяться на очень далекие  расстояния.

 

 

3.7 Ультразвук – помощник человека

          Еще большее применение, чем инфразвуки, находят ультразвуки.

Жидкость “вскипает” при прохождении ультразвуковой волны. При этом возникает гидравлический удар. Они могут отрывать кусочки  от поверхности металла и производить  дробление твердых тел. С помощью ультразвука можно смешать несмешивающиеся жидкости. Так готовятся эмульсии на масле.

При действии ультразвука  происходит омыление жиров. На этом принципе устроены стиральные устройства.

Интересны биологические  эффекты ультразвука. Ультразвуки  ослабляют жизнедеятельность бактерий, уменьшают рост молочнокислых и туберкулезных бактерий.

Широко используется ультразвук в гидроакустике. Ультразвуки  большой частоты поглощаются  водой очень слабо и могут  распространяться на десятки километров. Если они встречают на своем пути дно, айсберг или другое твердое тело, они отражаются и дают эхо большой мощности. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот.

В металле ультразвук распространяется практически без  поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри детали большой толщины.

Дробящее действие ультразвука  применяют для изготовления ультразвуковых паяльников.

Ультразвук применяют  для улавливания мельчайших частичек сажи, в сернокислотной промышленности для осаждения тумана серной кислоты.

 

3.8 Резонанс

Резкое возрастание  амплитуды вынужденных колебаний  при совпадении собственной частоты  и частоты вынуждающей силы называется резонансом.

Резонанс возникает  из-за того, что внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями тела, все время совершает положительную работу. За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается и амплитуда колебаний возрастает.

Явление резонанса может  играть как полезную, так и вредную  роль.

На применении резонанса  основано действие язычкового частотометра. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту системы. Маленький ребенок может раскачать язык большого колокола, если будет действовать на веревку в такт со свободными колебаниями языка.

С резонансом можно встретиться и тогда, когда это совсем нежелательно. Так, например, в 1750 году близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи колебаний моста резко увеличились, и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 году по той же причине  обрушился подвесной мост около  Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 году из-за резонанса  разрушился и так называемый Егитпетский  мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям приказывают “сбить ногу” и идти не строевым, а вольным шагом.

Чтобы избежать резонанса  при переезде поезда через мост, он проходит его либо на медленном ходу, либо на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

С резонансом можно встретиться  не только на суше, но и в море и  даже в воздухе. Так, например, при  некоторых частотах вращения гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре развития авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

 

 

 

 

3.9 Сейсмические станции

Наблюдения с помощью современных чувствительных приборов показывают, что земная кора почти непрерывно колеблется. Большую часть таких колебаний мы не замечаем, и они не производят заметных перемен на поверхности Земли. Но многие из них – катастрофические явления – надолго оставляют по себе память.

Это явление природы  изучает наука сейсмология.

Ильные землетрясения  принадлежат к числу наиболее грозных явлений природы. Для  наблюдения за землетрясениями и  изучения причин, вызывающих их, созданы  специальные пункты – сейсмические станции. Такие стации имеются во многих городах.

В темном помещении, на особом основании, отделенном от фундамента и  пола здания, стоит главная аппаратура – сейсмограф, маленький прожектор  и барабан. В других комнатах размещены  часы, электроприборы. Сейсмограф – это необыкновенно чуткое ухо. Он “ слышит” самые незначительные колебания и отдаленные колебания земной коры.

Изучая записи колебаний, можно судить, какова структура глубин Земли. Землетрясения возникают  в результате передвижек земной коры. Они распространяются на большие расстояния. Но бывают землетрясения, вызванные вулканическими извержениями.

Для уменьшения катастрофических последствий землетрясений разработаны способы строительства сооружений, не разрушающихся от подземных толчков.

3.10 Эхо

Эхо – это звуковые волны, отраженные от какого – либо препятствия ( зданий, холмов, леса т.п.) и возвратившееся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные промежутком  времени 50-60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо, приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов.