3
А сейчас слышно?
ШЕЛДОН: [У ЛЕОНАРДА С ПЕННИ] ИЗ ОБЩЕГО ТОЛЬКО ТЯГА К ТЕЛЕСНЫМ РАЗВЛЕЧЕНИЯМ. ПОЭТОМУ МНЕ И ПРИШЛОСЬ ПРИОБРЕСТИ ЭТИ ШУМОПОГЛОЩАЮЩИЕ НАУШНИКИ.
Бедный Шелдон, что бы он делал без пары шумопоглощающих наушников, особенно во время пижамных вечеринок Леонарда с Пенни. Или Леонарда со Стефани. Или Леонарда с Лесли. Или Леонарда с Джойс Ким.
У Раджа тоже есть пара таких наушников. (Не верьте злым языкам.) Ему они нужны для встреч Леонарда с Прией.
Но все это поднимает очень важные вопросы: как работают шумопоглощающие наушники? Что происходит с шумом после его поглощения? Он что, просто растворяется, как дым? Или он отскакивает туда, откуда пришел? Если дерево в лесу падает на пару таких наушников, оно издает звук? И самое важное, как человечество смогло выжить тысячи миллениумов с момента появления соседей по квартире до момента изобретения шумопоглощающих наушников? (И поскольку здесь прослеживается общая тема, возможно, вопрос должен звучать: «Как выжить соседям Леонарда в мире без шумопоглощающих наушников без постоянных позывов к рвоте?»)
Чтобы понять процесс звукопоглощения, мы должны установить, что звук – это упругая волна, состоящая из области высокого давления, сменяющегося областью с низким давлением, за которым идет область высокого давления, а затем низкого и так далее. Если бы вам посчастливилось увидеть звуковую волну, проходящую в воздухе, то она выглядела бы как поле зерен, разбросанных ветром, с янтарными волнами высокой и низкой плотности, догоняющими друг друга на плодотворной равнине.
Обычно звук образуется путем повторяющегося колебательного движения вибрирующего предмета. Когда предмет двигается вперед, он дает толчок всему, что его окружает, например молекулам воздуха. Эти молекулы тоже движутся вперед и натыкаются на своих соседей, передавая им этот толчок. Эти соседи сталкиваются со своими соседями и так далее, продвигая вперед волну высокой плотности.
В то же время, когда вибрирующий предмет движется назад, то он создает небольшую тягу, снова привлекая молекулы к себе. Движение обратно передается на соседей по цепочке, и, хотя сами молекулы движутся обратно, волна низкого давления путешествует вперед. Затем вибрирующий предмет начинает снова двигаться вперед и цикл повторяется, воздушные молекулы мечутся туда и обратно, и волны высокого и низкого давления проходят сквозь них.
Как создать волну
Волна – это возмущение, а не предмет. Предметы влияют на объекты по соседству, которые в свою очередь влияют на предметы вокруг них. Так волна перемещается в пространстве.
Например, круги на воде, произведенные камнем, брошенным в пруд, на самом деле являются самопроизводящейся цепью локальных возмущений. Водные молекулы, двигающиеся под влиянием камня, влияют на своих соседей, которые в свою очередь влияют на своих и так далее. Возмущение всегда распространяется во все стороны, а не только прямо на линии непосредственного исходного возмущения; но половина этих соседей уже подвержены волнению, и их колебания накладываются друг на друга и гасят друг друга во всех направлениях, кроме одного. В результате новая волна, неотличимая от старой, движется вперед, исходя от первоначального источника.
Чем быстрее вибрация предметов, тем короче дистанция между сменяющими друг друга областями высокого и низкого давления. Это происходит потому, что скорость волны в основном зависит от плотности материала, через который она проходит, а не от силы или скорости вибрации. Высота звука – это величина скорости, с которой волны сменяют области высокого и низкого давления, тогда как громкость, которую мы воспринимаем, это величина общей разницы в давлении. Если разница между областями высокого и низкого давления небольшая, то звук не передает большое количество энергии и воспринимается как негромкий; если разница велика (очень высокое давление сменяет очень низкое), то звук несет больше энергии и воспринимается как громкий.
Звуки не распространяются в вакууме. Без посредника (например, воздуха), передающего их, волны не смогут достичь вашего уха, и вы ничего не услышите. В открытом космосе нет идеального вакуума, но небольшие вкрапления веществ – в основном это одинокие атомы водорода – настолько далеко разбросаны, что процесс толкания и тяги не окажет на их соседей практически никакого влияния. Поэтому никто не услышит, как вы кричите в открытом космосе. (Или в случае с Леонардом, как он умоляет.)
Она меня волнует
Энергия, которую несет морская волна, измеряется не только высотой. Если бы это было не так, рябь на воде в стакане на четвертом этаже была бы сильнее цунами в бассейне на первом. Самые сильные волны те, у которых больше разница в высоте гребня и подошвы волны: самые высокие верхушки и самые низкие впадины.
То же самое относится ко всем волнам, даже тем, чья интенсивность не измеряется физической высотой. Самые высокие и низкие точки (гребни и подошвы) звуковой волны являются не взлетами и падениями, а сменами областей высокого и низкого давления, с молекулами, которые попеременно толкаются вперед и втягиваются назад. Чем больше разница в давлении между областями, тем сильнее волна и тем громче звук.
Световые волны не являются колебанием чего-то физического. Они являются чередованием интенсивности электромагнитного поля и стремятся в стороны, в то время как свет проходит сквозь них. Чем выше гребни и ниже подошвы, тем сильнее волна и ярче свет.
Звук, который ваше ухо может перенести без повреждений, в миллионы миллионов раз мощнее самого тихого, которое оно может различить. Между этими крайностями находятся частоты, которые улавливаются ухом как смена звукового давления. Если давление скачет вверх и вниз с частотой где-то в 20 раз в секунду, то звук воспринимается как очень низкое гудение. Если оно сменяется со скоростью 20 000 раз в секунду, оно звучит как писклявое нытье. (Снова здесь вспомним о Леонарде.) Звуки с частотой колебания ниже или выше просто не распознаются ухом, если это ухо не принадлежит слону или летучей мыши или какому-то другому подобному существу.
Когда мы становимся старше, мы теряем способность различать тихие звуки и очень высокие и очень низкие колебания, поэтому хитрые подростки часто выбирают очень высокие рингтоны для своих телефонов, которые не слышны взрослым. Учителя считают такой выбор проявлением вежливости, так как это нарушает дисциплину гораздо менее деструктивным способом.
А вы разве не слышали?
Простейший способ проверки слуха – это проиграть звуки различной частоты и громкости и спросить, слышит ли их испытуемый или нет. Но, когда нет возможности использования вербального общения, в случае с маленькими детьми или животными, приходится использовать другие методы.
В 1957 году доктор Джон К. Лилли (выпускник Калтеха 1938 года) дрессировал дельфина свистеть за лакомые кусочки. Каждый раз, когда дельфин свистел (частота не имела значения), он получал лакомство от Лилли. Вдруг дельфин замолчал, и Лилли перестал его кормить. Через какое-то время он снова засвистел и получил за это награду.
Когда же Лилли просмотрел запись, он понял, что в течение молчаливой части программы дельфин вовсе не перестал свистеть. Поскольку у него есть способность издавать (и слышать) частоты в семь раз выше, чем самая высокая частота, доступная человеческому уху, он просто перешел на ультразвук. Поняв, что несколько ультразвуковых посвистываний остались без вознаграждения, он перешел на более низкие частоты и больше не поднимался выше.
Может, это уже дельфин использовал систему поощрения, чтобы изучить диапазон человеческого слуха? Неужели испытуемый стал экспериментатором?
Такой поворот событий легко представить. Мы, человеческие существа, часто опираемся на эксперимент как на способ получения истины. Мы знаем, что дельфины очень умные существа. Мы можем предположить, что животное проявило любопытство по поводу человеческого слуха, и решило что-нибудь о нем узнать и провести тест. Но антропоморфизация никогда не признавалась достойным научным опытом (см. главу 32), равно как и скоропалительные выводы. Решил ли дельфин проверить слух Лилли или просто валял дурака? Не умея читать мысли, даже самый способный заклинатель дельфинов не сможет пойти дальше пустых предположений.
Более того, дельфин, который достаточно умен, чтобы заниматься наукой, не стал бы проводить опыт подобным образом, поскольку результаты не доказывали, что Лилли не слышал ультразвуковой свист, он просто не поощрялся им по какой-то причине. Это все равно как если родитель иногда покупает вам мороженое, когда вы вежливо просите, и никогда, если вы орете (хоть вас и слышно намного лучше).
Без понимания дельфиньей мотивации мы можем только утверждать, что он узнал (несмотря на то, было ли это целью его изысканий), что свист выше определенной частоты не дает никакой награды.
И это довольно полезная информация… для представителя семейства китовых.
Раз то, что вы слышите, это не движение самого предмета, а повторение колебаний давления воздуха на ваши барабанные перепонки, то должен быть обеспечен непрерывный путь к вашим ушам. Все, что встретится на этом пути, уменьшающее разницу давления, достигающего вашего уха, сделает звук тише.
Если вы закроете уши чем-нибудь жестким, отчего молекулы воздуха будут просто отскакивать (например, стаканом), то это помешает некоторым волнам пройти сквозь него. Чем дольше времени проходит между областями высокого и низкого давления, тем менее эффективно они отталкиваются от предмета. Поэтому низкие частоты проходят преграду лучше, чем высокие.
Прикрыв уши чем-то, что механически замедлит потоки воздушных молекул (например, подушкой), вы позволите исходящей области высокого давления нагнать область низкого. Чем больше расстояние между ними, тем меньше они накладываются друг на друга. Поэтому опять же низкие частоты пройдут сквозь нее гораздо лучше высоких.
Громко + громко = тихо?
Волны могут накладываться друг на друга. Там, где гребень одной волны совпадает с гребнем другой, а подошва одной совпадает с подошвой другой, происходит двойное усиление. Там, где гребень накладывается на подошву, в результате оказывается не гребень и не подошва, а что-то среднее между ними.
Если две волны накладываются таким образом, что их гребни и подошвы всегда совпадают, например в случае, если два радиоприемника находятся рядом и настроены на одну и ту же передачу, то они производят волну двойной мощности. Вода поднимается очень высоко или опускается очень низко, или звуковое давление сначала очень высокое, а потом очень низкое, или электромагнитное поле сначала очень сильное в одном направлении, затем в противоположном. Мы получаем наводнение, или очень громкий звук, или очень яркий свет.
Но если две волны накладываются таким образом, что гребни одной совпадают с подошвой другой, как это происходит внутри шумопоглощающих наушников, то в результате получается ничто. Волны уничтожают друг друга, и получается, будто и не было никаких волн: что дает одна волна, забирает другая.
Шум – это любой нежелательный звук. Шумопоглощающие наушники созданы для того, чтобы гасить звуки, которые направляются к вашему уху извне (для них все эти звуки нежелательны и потому сразу относятся к шуму). Они не могут убрать неприятные звуки, являющиеся частью звукового сигнала, исходящего от вашего МР3-плеера, или голоса, доносящиеся из вашей головы.
Шумопоглощающие наушники бывают активные и пассивные. Пассивные модели обычно выпускаются с пластиковой оболочкой (чтобы отражать звуковые волны) и поролоновой прокладкой (чтобы заглушить те волны, которые смогли пройти внутрь). Активные модели похожи на пассивные, но они также способны создавать собственную звуковую волну, которая уменьшает давление входящих областей высокого давления и увеличивает давление низких. Каждый наушник содержит маленький микрофон, обращенный наружу, который улавливает звуки, поступающие извне. Электронные схемы воссоздают то, как эти звуки будут воздействовать на пассивные части наушников, и отправляют противоположный сигнал динамику в наушнике. Там, где у первой волны увеличивается давление, у второй уменьшается, и наоборот. Они постоянно гасят друг друга. (Это все равно как наполнять ванну, у которой кран и слив контролируются одним и тем же вентилем.) Входящий шум и его искусственно созданная противоположность в сумме производят тишину.
Гашение звука путем добавления противоположного ему звука приводит к тишине, но это не то же самое, что отсутствие какого-либо исходного шума. В процессе используется энергия. Это как четко отрегулированный канат для перетягивания: хоть веревка и не двигается с места, обе команды прилагают для этого огромные усилия. Каждый раз, когда внешний звук пытается потянуть «канат» воздушного давления в одну сторону, шумопоглощающая схема двигает его в противоположном направлении настолько, насколько нужно, чтобы погасить эффект первоначального шума. Когда микрофон улавливает увеличивающееся давление, которое способно надавить на барабанные перепонки, динамик выдвигается вперед, уменьшая это давление; когда регистрируется низкое давление, которое способно выгнуть барабанную перепонку, динамик втягивается, увеличивая давление. Таким образом, входящие звуки постоянно гасятся противоположными действиями динамика.
После всего выше сказанного один из возможных способов решения проблемы шумопроизводящего соседа – это равноценный шум, направленный в противоположном направлении. Когда ваш сосед вздохнет, вздохните ему в ответ, когда он стонет, стоните, когда он рыдает, тоже поплачьте. Или просто воткните пальцы в уши и изобразите рвотные позывы.
эврика! @ caltech.edu
Инновация с/без изобретения
Хоть жизнь без его бесценных наушников и невыносима для Шелдона, он немногим отличается от нас с вами. Сколько вы сможете продержаться без вашего смартфона? Или пульта от телевизора? Или наручного радиопередатчика?
Но при этом у основания так называемой пирамиды находятся около четырех миллиардов человек, которые выживают на три доллара в день, и для них импортируемая бытовая электроника, так обязательная для нас, остается непозволительной роскошью. Для них каждодневные проблемы не о том, как «повосхищаться любимой песней, уложившись в 140 знаков», а о том, «как удержать ферму на плаву и избежать ее продажи» или «как потерять меньше пожилых родственников от теплового удара в этом году».
Калтеховский профессор инженерной механики Кен Пикар при поддержке некоммерческой организации «Инженеры для обновляемого мира» создал ряд обучающих курсов, концентрирующихся на технологических решениях для развивающихся стран. Пикар считает, что эффективные решения скорее возникают из недорогостоящего винегрета уже существующих технологий, чем из новеньких сияющих изобретений. Например, его студенты соединили миниатюрную турбину и генератор, чтобы создать карманную зарядку для телефонов, которую можно вывесить из окна автобуса по дороге на работу под воздействием ветра. (В развивающихся странах мобильные телефоны доступны, но электричество очень дорогое.)
И это не просто умные идеи. Самые крутые гаджеты останутся ничем, если никогда не покинут чертежную доску. Поэтому Пикар заставляет своих студентов создавать бизнес-планы для описания производства, реализуемости, выхода на рынок и дохода на инвестиции. В качестве выпускного экзамена студентам нужно представить свой продукт комиссии из настоящих производителей, бизнесменов и венчурных инвесторов. В результате получается что-то вроде некоммерческого проекта Intelligent Mobility International, получившегося из метода, разработанного пикаровскими студентами, превратившими два горных велосипеда в инвалидную коляску-внедорожник. (Во многих развивающихся странах много недорогих и надежных велосипедов, а вот с медицинским оборудованием туговато.)
Так что, когда вы услышите, что кто-то жалуется, что в этом мире нет ничего нового, расскажите им об автобусах, увешанных жужжащими телефонными зарядками, и инвалидных креслах с крутыми шинами.
[НАУЧНАЯ ВСТАВКА]
От 0 до 60 за 2,74 секунды
Одним из многочисленных вкладов в науку Галилея было наблюдение за тем, как объекты ускоряются с постоянной интенсивностью в приближении к поверхности Земли. Если первоначально предмет оставался неподвижным, то первые 4 фута (1,2 метра) он пролетит за полсекунды (это вы сможете легко подтвердить, сбросив что-нибудь с этой высоты), следующие 12 футов (3,6 метра) – за следующие полсекунды, потом за то же время 20 футов (6 метров), 28 футов (8,5 метра) за следующие полсекунды и так далее. За одну секунду он упадет на 16 футов (4,8 метра), за две – на 64 (19,5), и с каждой новой секундой его вертикальная скорость увеличится на чуть более 20 миль в час (32 километра в час).
Он также заметил, что ускорение не зависит от массы предмета. При одинаковом сопротивлении воздуха два предмета, сброшенных одновременно с одинаковой высоты, упадут на землю одновременно, независимо от их веса. Более тяжелый предмет не падает быстрее легкого, хотя нам кажется, что именно так и должно быть. (Калтеховские студенты празднуют достижения Галилея каждый Хэллоуин, сбрасывая в полночь замороженные тыквы разных размеров с самого высокого здания на территории, которые падают и разбиваются на мелкие кусочки в унисон.)
Добавление горизонтального аспекта не меняет эффект. Если один из предметов брошен в сторону, а второй просто отпущен, они все равно достигают земли в то же самое время. За каждую секунду полета их вертикальная скорость увеличивается на ту же величину.
Добавление вертикального аспекта также не меняет эффект, только результат. Если бросить предмет вверх или вниз, его вертикальная скорость по-прежнему меняется каждую секунду в той же пропорции. Разница лишь в том, что предмету потребуется больше или меньше времени, чтобы достигнуть земли, в зависимости от того, был ли он подброшен в воздух или просто отпущен вниз.
В один из безрассудных моментов Леонард вскрывает двери лифта на своем этаже и бросает (только что опустошенную) бутылку из-под алкоголя в шахту. Он засекает время полета, завершенного звуком разбитого стекла 2,1 секунды спустя, делает быстрые подсчеты и удовлетворенно объявляет: «30 футов» (9,1 метра). Если разделить все это на приблизительную высоту этажей в данном здании (хотя внешность может быть обманчива – см. главу 17), получается, что бутылка разбилась где-то в районе второго этажа, возможно, о крышу лифта. Только он плохо посчитал в уме. В первые 2,1 секунды свободного падения предмет – любой предмет – преодолеет вертикальное расстояние не в 30, а 70 футов (21,3 метра). Не важно, обо что разбилась бутылка, но это явно было на уровне двух этажей ниже первого.
Шелдон проводит подобный эксперимент, но получает совсем другой результат, когда он выбрасывает свою доску из окна гостиной. Через какие-то 1,2 секунды она приземляется на дорогу, создавая проблемы для машин, что немного странно, поскольку окно выходит во двор. Этот полет максимум равняется расстоянию в 23 фута (7 метров), хотя, вероятнее всего, на деле было всего футов 10 (3 метра), принимая во внимание существенное сопротивление воздуху этой доски. Приблизительно такие же результаты получает и Пенни, когда она швыряет айпод из того же окна, который разбивается об асфальт где-то через полсекунды. За полсекунды гравитация может притянуть предмет к земле только на какие-то жалкие 4 фута (1,2 метра). Нисходящее движение ее броска, без сомнения, помогает ускорить полет айпода к его рандеву с тротуаром, но даже с учетом этой детали, первый этаж все равно оказывается где-то у середины третьего. (С другой стороны, это открытие уменьшает угрозу со стороны Шелдона, когда он говорит: «Если ты воспользуешься моей зубной щеткой, я выпрыгну из окна».)
Существует проверенный киношный способ, чтобы оценить высоту скалы или глубину ямы, – бросить камень и послушать, когда он достигнет дна. Но в случае с «Теорией Большого взрыва» я бы не стал делать ставки.