§ 2.1. Основные характеристики звука
1. Акустикой называется учение о звуке. Причиной звуковых ощущений людей и животных является воздействие на их органы слуха упругих волн, распространяющихся в воздухе или другой упругой среде под влиянием механических колебаний какого-либо тела (источника звука). Это подтверждается следующим опытом.
Поместим электрический звонок в замкнутый стеклянный сосуд и откачаем из него воздух. По мере уменьшения плотности воздуха в сосуде звучание звонка ослабевает, а при достаточно сильном разрежении мы видим колебания молоточка звонка и совершенно не слышим его звука.
Изменяя частоту колебаний источника звука, можно убедиться в том, что человек с нормальным слухом способен воспринимать как звук только такие упругие волны, частоты которых не меньше 16 Гц и не больше 20 000 Гц. Кроме того, оказывается, что чувствительность нашего уха к волнам различной частоты неодинакова — она максимальна для волн с частотами порядка 1,5—3 кГц. Эти закономерности обусловлены особенностями строения наших органов слуха и ни в какой мере не свидетельствуют о каком-либо принципиальном отличии «слышимых» упругих волн от «неслышимых». По своей природе и физическим свойствам и те и другие волны ничем качественно не отличаются друг от друга. В этом можно убедиться по их действию на микрофоны, пьезоэлектрические приборы, регистрирующие колебания давления (см. т.II, § 6.5) и другие измерительные устройства.
Кроме того, установлено, что верхний и нижний пределы частот слышимых упругих волн у различных животных неодинаковы. Так, например, у собак νмакс достигает 38 кГц, а у летучих мышей и китов — превосходит 100 кГц. Поэтому звуком в физике называют любые упругие волны, причем в отличие от слышимых волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны с частотами, большими 20 кГц,— ультразвуковыми. Ультразвуковые волны с частотами порядка 109 Гц и выше иногда называют гиперзвуковыми. Верхняя граница частот ультразвуковых волн (в кристаллах порядка 1012—1013 Гц) соответствует частотам, при которых длина этих волн становится соизмеримой с межмолекулярными расстояниями.
Термин «звук» применяется также для обозначения того ощущения, которое производит звуковая волна на наши органы слуха. Таким образом, рассматривая любое акустическое явление, нужно помнить, что, с одной стороны, звук — это физический процесс распространения упругих волн в среде, а с другой — психофизиологический процесс, обусловленный указанным выше физическим процессом. Первый круг вопросов является предметом исследования физической акустики, а второй — физиологической акустики.
Физическая акустика по существу является учением об упругих волнах. Для характеристики звука в акустике используются частота ν звуковой волны (или спектр частот ν в случае сложной несинусоидальной звуковой волны) и интенсивность звука. В Международной системе единиц (СИ) интенсивность звука выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) (Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики (в трех томах): учебное пособие. М.: Высшая школа, 1979. – Т.3: Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика. – С. 33-34).
Задание 15. Составьте аннотацию к научной статье.
Природа шаровой молнии (Власов А. Природа шаровой молнии // НиТ, №6(73), 2012 г. )
Природа обычной, линейной, молнии давно установлена — это газовый разряд в виде грандиозной искры, «проскакивающей» между сильно заряженными грозовыми облаками или облаком и землей. Поскольку появление шаровой молнии связано с линейной, естественно предположить, что природа их сходна. Поэтому рассмотрим вкратце основные группы газовых разрядов.
Сильное электрическое или переменное электромагнитное поле ионизует атомы и молекулы газа — возникает плазма и происходит электрический разряд. Газовые разряды можно условно разбить на две основные группы по признаку: замыкаются силовые линии электрического поля в плазме или нет, иначе говоря — вихревое электрическое поле или потенциальное.
Если напряжение подают на электроды (рис. 1а), силовые линии электрического поля Е замыкаются на них, а не в плазме. Пара электродов ведет себя как конденсатор, поэтому такие разряды называют емкостными или Е-типа. Электрическое поле может быть постоянным, переменным или импульсным.
(рис.1)
К другой категории относятся безэлектродные индукционные разряды
Н-типа, при возбуждении которых определяющую роль играет электромагнитная индукция (рис. 1). Через катушку-индуктор пропускают ток высокой частоты или импульсный ток I, создающий магнитное поле Н. Под действием переменного магнитного потока внутри катушки возникает вихревое электрическое поле Е. Его силовые линии представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками катушки. Это электрическое поле может зажигать и поддерживать разряд, причем токи также замкнуты и протекают вдоль линий поля (рис. 2).
Если полагать, что обе молнии — и линейная, и шаровая — это газовые разряды, то линейную следует отнести к категории разрядов Е-типа, поскольку имеются электроды, например облако и земля. Шаровую молнию естественно отнести к категории индукционных разрядов Н-типа. Попытаемся обосновать данное предположение и найти конкретную структуру шаровой молнии.
Накопленный материал наблюдений позволяет установить несколько присущих шаровой молнии особенностей:
• она может производить электромагнитные воздействия, особенно сильные при ее гибели со взрывом, и выводить из строя электроприборы;
• время ее жизни — от десятых долей секунды до нескольких минут;
• шаровая молния может существовать в закрытых помещениях, в том числе и с электромагнитной экранировкой, например в железобетонных строениях;
• ее внутренняя температура достигает нескольких тысяч градусов (судя по спектру светового излучения), но внешняя поверхность имеет, как правило, низкую температуру (по данным очевидцев, которых она касалась).
Подводя итоги, приходим к заключению, что основой шаровой молнии должен служить индукционный разряд внутри вихревого кольца (рис. 3).
Задание 19 . Напишите аннотацию к статье.
Адронный коллайдер (Шумилин С.Э. Великий и ужасный большой адронный коллайдер // НиТ, №8(39), 2009 г.)
Большой адронный коллайдер — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. По существу БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут пытаться разглядеть, из чего и как сделана материя, получая сведения об ее устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.
Еще древнегреческий философ Демокрит высказал догадку о том, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов («атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но доказательство этому ученые нашли только спустя много веков, заодно выяснив, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского слова glue — клей).
Само слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели, относительно умеренных размеров и мощности, появились еще в 30-х годах XX века), пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.
«Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны — это семейство элементарных частиц, к которому относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.
Но разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, который имеет электрический заряд, что связано с самим принципом работы ускорителя (использование им электромагнитных полей). Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно даже из его названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами экспериментов, проводимых в БАК, станут протоны (ядра атомов водорода и тяжелые ядра свинца).
Большим коллайдер стал из-за своих размеров — это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существовавших в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.
Впервые о сооружении Большого адронного коллайдера заговорили в 1984 году, причем толчком к этому послужил доклад, сделанный на международном конгрессе физиков в США, в котором американцы представили сенсационный проект — 80-километрового коллайдера. По воспоминаниям д.ф.-м.н. А. Довбни (директора института Физики высоких энергий и ядерной физики Национального научного центра Харьковский физико-технический институт), участвовавшего в этом конгрессе: «Шокированные европейские физики предложили встретиться с советской делегацией и выработать некое предложение, которое, как говорится, давало бы какую-то перспективу Европе. Мы две ночи вместе поработали тогда и на заключительном этапе представили рукописную часть на нескольких страницах». Эти несколько страниц и стали началом Большого адронного коллайдера. Однако официальный статус идея обрела лишь десять лет спустя, а само строительство Большого адронного коллайдера, (в котором приняли участие физики из 500 научно-исследовательских учреждений, 80 стран мира) началось только в 2001 году, после завершения работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Collider, LEPC). Дело в том, что для нового ускорителя использовали тот же туннель, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Этот туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землей и располагается по обе стороны границы между Швейцарией и Францией, что еще раз подчеркивает международный статус проекта. Этому же соответствуют и финансовые затраты — на сегодняшний день стоимость постройки БАК оценивается в 16 млрд. долларов США.
Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектрон-вольт, или 14•1012 электрон-вольт), а ядер свинца — 5,5 ГэВ (5,5•109 электрон-вольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.
Таким образом, БАК будет самым высокоэнергетичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер «Тэватрон», который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).