Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Все, можете поворачиваться — с нудной частью покончено.
Вне всяких сомнений, наиболее очевидный способ создания ударных волн — взрывы. Но они совсем не обязательно должны иметь рукотворную природу. Пример тому — ударная волна в воздухе, образовавшаяся во время грандиозного извержения вулкана Кракатау на одноименном индонезийском острове в 1883 году; остров в результате извержения прекратил существование. Волне понадобилось 10 часов 20 минут, чтобы пройти 11 620 км, отделявших остров от Лондона. В Лондоне она была зарегистрирована барографами Гринвичской обсерватории как внезапный скачок атмосферного давления, за которым последовал такой же резкий спад, после чего давление вернулось к нормальному значению.{91}
Проницательные наблюдатели за волнами наверняка уже вычислили, что раз волны давления покрыли такое расстояние за 10 часов 20 минут, они распространялись со скоростью ниже обычной. В конце концов, скорость звука (а именно с такой скоростью волны давления и распространяются) в воздушной среде при температуре +4,5°С равна примерно 1 207 км/ч, в то время как 11 620 км, пройденные за 10 часов 20 минут, означают скорость в 1 127 км/ч. В этом можно заметить противоречие второму свойству ударных волн, которое гласит: ударные волны распространяются быстрее волн обычных. На деле же ударная волна в атмосфере скачет вверх и вниз, проходя при этом расстояние гораздо большее, чем то, которое покрывает, скажем, ворон, летящий по прямой.
Еще один природный источник ударных волн — молния. Каждый раз, слыша гром, вы слышите ударные волны. При этом взрыв происходит в результате чудовищной силы колебаний воздуха, которые происходят из-за очень быстрого повышения давления на пути молнии вследствие сильного нагревания. Возникают волны давления с резко выраженным фронтом, за которым следует более плавный возврат к нормальному атмосферному давлению. Выходит, раскат грома и есть звучание этой самой волны давления? Такой вопрос я задал, беседуя с профессором Марком Крамером, изучающим ударные волны в Политехническом университете Виргинии. Профессор рассказал, что наши уши улавливают подобный скачок давления как «щелчок искрового разряда при подключении аккумулятора машины или стук при столкновении двух бильярдных шаров».
Так почему, поинтересовался я, раскат грома воспринимается нами как мощный, оглушительный треск (по крайней мере, вблизи)? Профессор ответил, что частично это происходит потому, что «молния, которую мы видим, на деле представляет собой множество разрядов». Множественные ударные волны следуют одна за другой с очень небольшим интервалом, поэтому звук усиливается. То же самое происходит и тогда, когда «гром образуется по всей длине вспышки молнии, которая обычно растягивается на несколько километров». Получается, что ударные волны образуются в разных точках разветвленной молнии — более удаленные волны достигают ваших ушей позже, чем более близкие. Оба эти фактора означают следующее: вместо щелчка электрического разряда одной ударной волны вы слышите треск множества волн, соединенных вместе.
Кроме резко выраженных фронтов громыхающие волны давления обладают еще одним свойством — распространяются быстрее, чем обычные звуковые волны. При этом они подчиняются правилу ударных волн: более интенсивные, звучащие громче, распространяются быстрее, чем менее интенсивные, звучащие тише. Как объяснил Крамер, это одна из причин того, почему грозу за многие километры от нас мы слышим как глухие раскаты, а не как звонкий треск. «Скорость распространения волны зависит от амплитуды», — сказал профессор. Амплитуда же — один из способов описания интенсивности, то есть мощности волны давления. «Получается, что разные части волны распространяются с разной скоростью, вызывая искажение этой самой волны», — продолжал профессор. Это искажение, как я узнал, и объясняет изменение звучания грома по мере того, как мы удаляемся или приближаемся к источнику громовых раскатов.
Взрыв, вызванный бомбой или резким расширением воздуха вдоль вспышки молнии, порождает волны самых разных частот и интенсивности — звуки пронзительные и гулкие, громкие и тихие. Эти волны смешиваются. Непосредственно возле вспышки ударные волны давления соединяются в оглушительный треск. Чем дальше от вспышки, тем сильнее звучание рассеивается. Поскольку более громкие и интенсивные ударные волны распространяются быстрее, они вырываются вперед. Таким образом, последовательность ударных волн вытягивается на протяжении всего расстояния, на которое они распространяются, звук при этом обретает глубину. Можно привести аналогию со стуком палки, которой вы ведете вдоль железной ограды: если вы ведете палкой быстро, удары сливаются в высокий звук, если медленно — в звук более низкий. Сами удары и в том, и в другом случае звучат одинаково, однако мы слышим их общее звучание как более высокое или более низкое, в зависимости от того, насколько короткий между ними временной интервал. Подобное вытягивание последовательности ударных волн является одной из причин того, почему раскаты грома в зависимости от удаленности воспринимаются совершенно по-разному.[40]
* * *К счастью, чтобы прочувствовать ударную волну на себе, вам совсем не обязательно находиться вблизи от разрывающегося снаряда или молнии. Вы сами в состоянии ее породить — когда, сгруппировавшись, «бомбочкой» ныряете в бассейн. Громкий всплеск воды при вашем ударе о водную поверхность представляет собой нечто вроде громового разряда вдоль вспышки молнии, только в воде.
Вообще-то, пловцов, участвующих в соревнованиях, большими поклонниками ударных волн не назовешь. Спортсмены всеми силами стараются избежать встречи с ними, поскольку это пустая трата энергии. Вот почему вы никогда не увидите, как они лихо ныряют «бомбочкой», когда стартовый пистолет дает команду к заплыву на дистанцию в 200 м кролем на груди. (Хотя я с удовольствием посмотрел бы.) Наоборот, спортсмены стараются минимизировать всплеск на входе в воду, вытягивая руки в одну линию с телом, таким образом снижая сопротивление воды, а вместе с ним — образующиеся при всплеске ударные волны. Сокращение ударной волны ведет к сокращению потери энергии в воде. Однако в воде пловцов подстерегает другая столь же неприятная ударная волна — головная волна. Она возникает как раз перед головой отчаянно гребущего спортсмена.
Представляете, каким грохотом сопровождаются эти ударные волны?Головная волна, говорите? А где же сильный удар и грохот, где всплеск, обыкновенный для ударной волны? Вообще, самыми очевидными источниками ударных волн считаются взрывы. Но они — не единственные: ударные волны порождаются и головными волнами, расходящимися спереди от двигающегося объекта — пловца, лодки на воде или даже объекта в воздушной среде, — пока этот объект двигается через среду с достаточной скоростью. Головные волны перерастают в ударные лишь в том случае, когда объект идет со скоростью не ниже обычной скорости распространения через данную среду волн — тогда они не успевают убраться с дороги и начинают толпиться, тесня друг дружку.
Если головная волна от пловца кажется вам для ударной волны слишком кроткой, что вы скажете по поводу других ударных волн — сверхзвукового хлопка в момент перехода самолета на сверхзвуковую скорость?
Это еще один пример ударной волны, но только в воздухе (мы слышим ее как звук), а не на поверхности воды. Однако принцип один и тот же. В небе самолет порождает волны давления спереди и сзади от себя, поскольку вызывает смещение воздушной среды — она вынуждена быстро смещаться перед самолетом и быстро возвращаться на первоначальное место позади него. Эти резкие перемещения воздуха вызывают перепады атмосферного давления, распространяющиеся вокруг самолета как волны давления. Волны давления идут в виде сферических слоев; некоторые расходятся от носа самолета, другие — от его хвоста. Они образуются независимо от скорости самолета. Хотя мы часто воспринимаем волны давления как звук, те, что расходятся от самолета, мы не слышим — рев двигателей стальной птицы их заглушает. Если только, конечно, самолет не летит со скоростью звука или быстрее — в таком случае мы попросту обречены на то, чтобы их услышать.
Формирование ударной волны при полете со скоростью звукаКогда сверхзвуковой самолет разгоняется до скорости звука — величины, обозначаемой числом Маха, равным 1,[41] — он двигается с той же скоростью, что и порождаемые им волны давления. Получается, волны у конического носа самолета не могут обогнать сам самолет — их скорости равны. Поэтому они громоздятся друг на друга — каждый пик давления накладывается на предыдущий. В итоге образуется головная волна огромной мощности. Когда самолет выходит на скорость звука, волны давления совмещаются, образуя головную ударную волну. Резко образовавшаяся ударная волна возросшего атмосферного давления растягивается перед носом самолета — головная волна при этом движется вместе с самолетом на скорости звука. Ударная волна упавшего атмосферного давления, — на самом деле не что иное, как кормовая корабельная волна, — идет от хвоста.
