Физика 9 класс учебник Перышкин, Гутник - страница 183

   Цель исследования
   Установить, что для распространения звука обязательно наличие вещества.
   Методика проведения
   Звучащий мобильный телефон помещается в герметичную камеру (под колокол вакуумного насоса).
   Изначально, при наличии воздуха, звук телефона хорошо воспринимается, что свидетельствует о его передаче через воздушную среду.
   Далее, воздух из-под колокола активно откачивается.
   Наблюдается постепенное затухание звука по мере удаления воздуха.
   Когда под колоколом создается вакуум, звук полностью исчезает.
   Возвращение воздуха в камеру восстанавливает слышимость звука.
   Итог
   Эксперимент подтверждает, что звук не распространяется в вакууме. Для его распространения необходима материальная среда, обладающая упругими свойствами (например, воздух, вода или твердые тела).

   Да, звук может распространяться во всех трёх средах.
   В газах (например, в воздухе) — мы слышим речь, музыку, звуки природы. Воздух передаёт звуковые волны от источника к приёмнику.
   В жидкостях (например, в воде) — рыбы и морские млекопитающие общаются с помощью звуков; подводные динамики в бассейнах позволяют спортсменам слышать музыку под водой.
   В твёрдых телах (например, в металле, древесине) — если постучать по металлической трубе, звук быстро распространяется по её длине; вибрация пола или стены передаёт звуки из соседней комнаты.

   Упругие материалы лучше проводят звук, потому что их плотное расположение частиц позволяет эффективно передавать механические колебания, формирующие звуковые волны. К таким материалам относятся металлы (например, сталь, медь), дерево и стекло. Именно поэтому звук хорошо слышен в металлических конструкциях или деревянных балках.
   В отличие от них, пористые материалы, такие как пенопласт, минеральная вата или кирпич с пустотами, поглощают и рассеивают звук, препятствуя его распространению. Благодаря этому они применяются для звукоизоляции.

   При распространении звука в воздухе и воде мы имеем дело с продольными волнами. Суть этого явления в том, что движение частиц среды совпадает по направлению с движением самой волны.
   В воздухе это проявляется как периодическое сжатие и разрежение молекул воздуха вдоль пути звука. В воде же частицы воды совершают колебания в том же направлении, что и волна, создавая области повышенной и пониженной плотности.
   Поперечные волны, где колебания частиц перпендикулярны направлению распространения, не могут существовать в газах и жидкостях, поскольку для их образования необходима жесткость среды, присущая только твердым телам.

   Громовые раскаты: эхо небесной молнии.
   Когда надвигается гроза, мы сначала становимся свидетелями ослепительной вспышки молнии, а лишь затем до наших ушей доносится мощный, гулкий звук грома. Эта временная разница объясняется фундаментальными законами физики: свет, несущий образ молнии, мчится к нам практически мгновенно, преодолевая огромные расстояния со скоростью света (около 300 000 километров в секунду). Звук же, порожденный этим небесным разрядом, движется куда более степенно, со скоростью звука (примерно 343 метра в секунду при комнатной температуре).
   Именно эта задержка между зрелищем и звуком служит нам своеобразным природным дальномером: достаточно лишь отсчитать секунды между появлением молнии и приходом грома, а затем умножить это число на скорость звука, чтобы получить примерное расстояние до эпицентра грозы в метрах.

   Для того чтобы звук, являющийся механической волной, мог распространяться, ему необходима упругая среда (например, воздух, вода или твёрдые материалы). Между Землёй и Луной находится вакуум — пространство, практически лишённое вещества. В таком вакууме нет среды, способной передавать звуковые колебания. Именно поэтому звук мощного взрыва на Луне не достигнет Земли.

   Устройство, описанное в задаче (две половинки мыльницы, соединённые натянутой нитью), является простым примером акустического телефона.
   Принцип его работы основан на передаче звуковых колебаний через твёрдое тело (нить).

   Рассмотрим процесс передачи звука пошагово:
• Когда человек говорит в одну из мыльниц, звуковые волны (колебания воздуха) ударяются о внутреннюю поверхность мыльницы.
• Мыльница, будучи достаточно жёстким и относительно лёгким телом, начинает вибрировать в такт с звуковыми колебаниями голоса.
• Эти вибрации передаются на нить, к которой прикреплена мыльница.
• Натянутая нить служит эффективным проводником механических колебаний (волн). В отличие от воздуха, в котором звуковые волны быстро затухают, в натянутой нити энергия колебаний передаётся на значительное расстояние с меньшими потерями.
• Достигнув второй мыльницы, механические колебания передаются её стенкам.
• Вибрирующая вторая мыльница, в свою очередь, создаёт звуковые волны в воздухе рядом с ухом второго собеседника, которые он и воспринимает как речь.

   Ключевые физические принципы, лежащие в основе явления:
• Передача колебаний через твёрдое тело: нить, будучи упругой и натянутой, эффективно проводит продольные и поперечные механические волны, возникающие от звука голоса.
• Усиление звука (резонатор): мыльницы действуют как простые резонаторы. Они улавливают и усиливают звуковые колебания, делая даже шёпот достаточно громким для передачи по нити и последующего воспроизведения.
• Снижение потерь энергии: в воздухе звук быстро рассеивается и ослабевает с расстоянием. В натянутой нити потери энергии на трение и рассеяние значительно меньше, что позволяет передавать звук на большее расстояние.

   Ответ: Звук передаётся от одной мыльницы к другой через натянутую нить в виде механических колебаний. Мыльницы действуют как резонаторы, усиливая звук, а нить эффективно проводит эти колебания с меньшими потерями энергии, чем воздух, позволяя слышать даже шёпот на расстоянии.

   Наблюдение двух отдельных ударов объясняется тем, что звук имеет различную скорость распространения в разных средах. При ударе по трубе молотком возникают две звуковые волны: одна движется по металлической стенке трубы, а другая — по воздуху внутри нее.
   Скорость звука в металле значительно выше (порядка 5000–6000 м/с) по сравнению со скоростью звука в воздухе (около 340 м/с). Следовательно, звуковая волна, распространяющаяся по металлу, достигает уха слушателя раньше, чем волна, идущая через воздух. Именно эта разница во времени и создает эффект двух последовательных ударов.