©Злотин БОРИС ЛЬВОВИЧ, ©Зусман АЛЛА ВЕНИАМИНОВНА.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации:
©А.Д. Гладышев,
©Н.А. Асланова
публикация на сайте http://jlproj.org
НОВАЯ ИГРА
Разговор в учительской
ИГЗ: Все колеблется
ЗАДАЧИ:
НОВАЯ ИГРА
Ребята по очереди выходили к доске и предлагали свои варианты сцепления человечков, строили картинки из квадратиков, изготовленных Изобретателем.У доски Женя. Он предлагает рассмотреть такую комбинацию F1,1— положительная, значит В1 — твердое тело; F2,2 отрицательная, значит В2— газ; F1,2 — тоже положительная; значит твердое тело притягивает газ. Может так быть?
— Не только может, но существует и называется «абсорбция»— очень важное явление,— сказал Изобретатель.— Во время первой мировой войны немцы применили новое и страшное оружие — отравляющие газы. Страшное потому, что тогда никто не знал, как от него защититься. Пытались найти вещества,способные нейтрализовать отраву, но немцы каждый раз меняли газ, ничего не получалось. Русский химик, кстати, уроженец Молдавии, из Тирасполя, Н. Д. Зелинский предложил использовать для улавливания газов активированный уголь. Собственно говоря, это обыкновенный древесный уголь, его получают прокаливанием древесины без доступа кислорода. Вот этот уголь и обладает свойством «хватать» и поглощать из воздуха человечков разных вредных газов. Изобретение Н. Д. Зелинского спасло жизнь миллионам людей. Какие еще комбинации рассмотрим?
— Пусть все силы будут положительными! — предложили девочки. — Это значит, что два твердых тела притягиваются друг к другу. Что это за эффекты?
— Просто одна деревяшка лежит на другой под действием силы тяжести!
— Две железки сжаты в тисках!
— Магнит притянул железку!
— Две противоположно заряженные пластинки.
К доске вышел Сережа и построил человечков следующим образом.
— Что это? — спросил он у ребят. Те никак не могли догадаться.
— Это диффузия! — заявил Сережа.— Я в учебнике нашел. Если наложить кусок свинца на кусок золота, то через несколько лет они соединятся, потому что их атомы в поверхностном слое перепутаются, как на рисунке.
— Хорошо. А как можно использовать диффузию? — спросил Изобретатель. Ребята не знали.
— В конце сороковых годов советский ученый Н. Ф. Казаков изучал странное явление — небольшие бугорки очень твердого металла, нарастающие на острых кромках резцов при большой скорости резания. Бугорки мешали резанию, заставляли часто перетачивать резцы. Казаков первый догадался, что бугорки возникают из-за диффузии: в зоне резания высокие температуры, резец с большой силой давит на металл, и частицы металла проникают в поверхность резца, сливаются с ним. На базе этого открытия Н. Ф. Казаков сделал выдающееся изобретение — создал диффузионную сварку. Оказалось, что если тщательно очистить поверхности двух деталей от окислов и разных примесей, поместить их в вакуум или инертную среду, а затем нагреть и плотно прижать, то с помощью диффузии можно соединить между собой самые разные вещества, несоединимые другими путями, например, нержавеющую сталь с вольфрамом, сталь со стеклом, с алюминием. Диффузионная сварка позволяет экономить сотни тонн стали, цветных металлов, делать легкие конструкции. Не зря ее применяют в космической технике. Кстати, с космосом и диффузией связана одна забавная история. Когда первая попытка американских космонавтов выйти в открытый космос окончилась неудачей, некоторые газеты обвинили в ней нашу страну. «Русские лазеры заварили двери наших кораблей!» — писали они. Космонавты не смогли открыть выходной люк. Как вы думаете, почему?
— Наверное, двери заварились сами, от диффузии?
— Конечно! Ведь все необходимые условия для диффузионной сварки были соблюдены: космический вакуум, нагрев ракеты при взлете, люк плотно прижат к корпусу. Но вернемся к нашему рисунку. Как еще можно интерпретировать его?
— Застежка-молния! Там тоже отдельные частички чередуются!
— Застежка-репейник!
— Две шестеренки, как в часах!
Следующая схемка была такая:
|
— А у нас уже была такая схема! — сказали ребята. — Была. Но добавим условие: F1,1 намного больше, чем F2,2. |
— Растворение! — Хорошо! Во время войны устанавливали морские мины, Нужно было, чтобы мина всплывала не сразу, а когда уйдет наша подводная лодка, чтобы самим не взорваться. Для этого устанавливали специальный предохранитель, мешающий всплыть. А механизм предохранителя фиксировался кусочком сахара. Через определенное время сахар таял, и мина всплывала.
тела
Таня изобразила, как маленькие человечки твердого разбегаются и превращаются в человечков газа.
— Так неправильно! — сказали ребята. — Сначала они должны превратиться в жидких человечков, а уж потом в газ.
Но Физик поддержал девочку.
— Таня права, — сказал
он.— Такое явление есть, называется сублимация или возгонка. Так себя
ведет, например,
твердая углекислота — сухой лед.— Мне как-то досталась такая задача: обеспечить пескоструйную чистку одного сложного устройства, но с условием, чтобы потом в нем не осталось ни песчинки, иначе оно выходило из строя. И тогда мы предложили чистить "песком" из сухого льда — такие "песчинки" потом сами исчезают, — рассказал Изобретатель.
Ребята выходили к доске, спорили, смеялись. Им нравилось, что придуманные ими эффекты не просто оказались известными и полезными, но и носили такие ученые названия: "абсорбция", "сублимация", "конденсация"...
— Обратите внимание, ребята, — сказал Изобретатель. — Мы строим из человечков веполи. У нас два вида человечков: В1 и В2, а между ними какое-то поле, которое ими командует. И командовать можно по-разному. Например, человечки В1 это поле слушают, а В2 - нет. Благодаря этому можно менять картинки, заставлять человечков изображать разные действия. Например, что это такое?
| — Смесь двух жидкостей В1 и В2. — Хорошо. А теперь представьте, что нам нужно эту смесь разделить. |
|
— Но для этого необходимо знать привычки человечков В1 и В2, что они «любят»!
— Допустим, у нас перемешались вода и бензин. Это нередко случается. В теплую погоду в бензобак попадает влажный воздух, а когда похолодает, из воздуха выделяются капельки воды, происходит конденсация влаги. И тогда в бензобаке оказывается смесь бензина с водой, При движении автомобиля смесь взбалтывается и может попасть в карбюратор. Работа двигателя сразу ухудшается, А зимой может быть и хуже: капельки жидкости замерзнут в бензиновых шлангах, и мотор остановится. Особенно страшно это для авиации. Как же быть?
— Нужно найти подходящее поле, которого послушаются наши человечки.
— Пусть поможет волшебное слово!
— Да, МАТХЭМ!
— Молодцы, что не забыли. Вперед!
— АД — механика. Если человечки разного веса, то они просто в конце концов сами разделятся: тяжелые уйдут вниз, а легкие вверх.
—- Лучше раскрутить всю смесь! Тогда легкие соберутся в центре, а тяжелые — с краев! — сказала Таня.— Я видела у ба¬бушки в деревне такую вращающуюся штуку, на ней получают масло из молока. Масло легче и оказывалось в середине.
— Эта «штука» называется сепаратор,— заметил Физик.— Слово «сепарация» по латыни означает «разделение».
— А вода и бензин одинаково смачивают твердые тела? — спросил Толнк. (Изобретатель начал понемногу знакомиться с ребятами. Толика он запомнил: это он на первом уроке сумел «испариться» из капли жидкости, которую изображали ребята. Этот мальчишка оказался вообще очень подвижным, с трудом сидел на месте, часто отвлекался, но, сосредоточившись, думал быстро и точно).
— Конечно, есть вещества, которые смачиваются водой и не смачиваются бензином, и наоборот,— ответил Изобретатель.
— Тогда просто: нужно «высасывать» воду с помощью капилляров, не смачиваемых бензином! — сказал Толик.
Ребята засмеялись — это же сколько трубочек потребуется! Но Изобретатель их остановил:
— Разве капилляры — это только трубочки? У кого есть промокашка?
Изобретатель забыл, что ребята пишут в общих тетрадях, в которые промокашки не вкладывают. Да и зачем она нужна, если у всех шариковые ручки? Конечно, промокашки ни у кого не оказалось. Но Физик достал из шкафа несколько листиков рыхловатой бумаги и показал, как быстро поднимается по бумаге вода, хотя в лоток окунули только маленький уголок листа.
— Именно такой способ используют, когда хотят проверить, есть ли в нефти вода,— сказал Изобретатель,— нефть по бумаге не поднимается, а вода — очень быстро. Наверное, на этом прин¬ ципе можно и бензин очищать, только потребуется что-то поплотнее, чем бумага.
— Но ведь такой очиститель будет работать всего один раз, пока не пропитается водой,— засомневался Сережа.
— Ну это же просто! Ее можно просушить и снова использовать!
— Хорошо, ребята! Посмотрим следующее поле.
— А — акустика; Разные колебания...
— Колебания скорее размешивают, чем разделяют! — сказала Таня.
— Действительно, колебания чаще смешивают, чем разделяют,— согласился Изобретатель,— хотя с разделением неплохо справляются так называемые стоячие волны, возникающие при колебаниях. Но об этом мы поговорим в.другой раз. А в принципе, как использовать свойство колебаний хорошо размешивать?
— Очень трудно размешивать крем для торта,— сказала Света.— Сидишь и мешаешь по полчаса. Может быть, колебания сделают все быстрее?
— Конечно, на больших предприятиях, где выпекают торты, пирожные, так и делают. И не только при производстве кремов, но в разных химических процессах. Вообще, наложение акустического поля...
— Ультразвука!—подсказали из класса.
— Ультразвук — колебания высокой частоты, которые человек не слышит, обычный звук — от тончайшего комариного писка до басового гудения и инфразвук — очень низкие колебания, которые человек тоже не слышит, но ощущает (ощущения довольно неприятные). Наложение практически любого звукового поля активизирует не только перемешивание, но и другие параметры процессов, поэтому широко используется. В том числе и для разделения. Например, если нужно разделить не капельки жидкости, а порошки из металлов разного удельного веса, бесполезно ждать, пока они сами разделятся под действием силы тяжести — они будут лежать совершенно спокойно. Представьте это себе с помощью человечков. Вот они лежат кучкой. Что нужно сделать, чтобы они разделились? Правильно, нужно заставить их как-то двигаться, потрясти, например. Тогда более тяжелые станут сползать вниз, а легкие — устремятся наверх. Но продолжим разделение наших капелек. Какое следующее поле?
— Т — тепловое поле! — быстро ответил Сережа, давно дожидавшийся этого момента. У него были идеи, и он боялся, что его опередят.— Тепловое поле скомандует человечкам, чтобы они превратились в твердое тело или в газ. Они разные, значит, превращаться будут по-разному. Что будет, если нагреть смесь?
— Бензин кипит при более низкой температуре, чем вода,— сказал Физик.— Он начнет испаряться.
— Весь бензин испарится, а в бензобаке останется вода,—- засмеялись ребята. Но Сережа не растерялся.
— А я эти пары бензина соберу, а потом, после охлаждения, из них получится чистый бензин!
— Именно так, нагревая, а потом охлаждая пары, разделяли на компоненты природную нефть,— сказал Физик.— В том числе и бензин получали. Такой процесс называют перепонкой или дистилляцией (это слово по латыни означает стекание каплями). Сегодня для этой цели используют более совершенный способ. Дело в том, что при обычной перегонке получалось довольно мало бензина, но много менее ценных «тяжелых» составляющих нефти — керосин, солярка, мазут. Русский изобретатель В. Г. Шухов предложил «крекинг-процесс», при котором сложные молекулы нефти под давлением и при высокой температуре разлагаются на более простые и легкие, в том числе и молекулы бензина. Бензина становится больше, но отделяют его от остатков по-прежнему перегонкой.
— Может быть, лучше использовать замораживание? — спросил Толик.— Бензин на морозе не замерзает, я видел. А вода замерзнет. Вот и разделение.
— На Севере используют интересный прием,— сказал Изобретатель.— В морозную погоду ставят в ведро железный лом и льют на него сверху бензин тонкой струйкой. Он стекает по лому, а вода намораживается на лом. Или еще проще — перемешивают бензин в ведре холодным ломом — вода вымораживается. Молодец, Толик. Следующее поле?
— X — химическое,— продолжил анализ Сережа.— Добавить что-то такое, что не будет реагировать на человечков бензина, но «свяжет», «схватит» человечков воды и вместе с ними от бензина.
Пусть станут газообразными и сами уйдут! — дополнили ребята.
— В теории изобретательства, когда вводят новое неизвестное вещество или поле, называют его «икс-элемент». Человечки "икс-элемента", "икс-человечки" нам всегда помогут.
— А такие вещества, которые нам разделить бензин помогут, есть? — спросил Сережа.
— Трудно сказать, — ответил Изобретатель.— Нужно посоветоваться с химиками. Так нередко случается при решении изобретательских задач. Идея есть, но оценить ее, развить без специалиста нельзя.
— А еще можно как-то связать человечков воды, чтобы они не портили бензин, например, не замерзали. Есть такие человечки? — спросила Марина. На этот вопрос Изобретатель и Физик тоже не смогли ответить сразу и снова напомнили о необходимости посоветоваться со специалистами. И перешли к следующему полю.
— Наверное, электрическое поле не годится,— сказали ребята.— Вода и бензин ток не пропускают.
— Никогда заранее нельзя отказываться от возможности использовать какое-то поле,— сказал Изобретатель. — Нужно сначала подумать. Например, капельки бензина и воды обладают разными свойствами, в том числе и электрическими: электропроводностью, диэлектрической проницаемостью.
— Извините, они еще не знают, что это такое,— вмешался Физик. Но Изобретатель упрямо покачал головой.
— Ничего, узнают. Главное, нужно уметь находить отличия. Предположим, что мы распылили смесь на мельчайшие капли бензина и воды в электрическом поле. Наверняка они будут по- разному вести себя, значит, это можно использовать для разделения. Недавно была предложена новая установка для очистки бензина и керосина — набор вращающихся дисков из неэлектропроводного материала, наполовину погруженных в очищаемую жидкость. Из-за трения о жидкость диски заряжаются, и к ним пристают капельки воды, частички мусора и другие загрязнения. С магнитным полем — похожая история. Не сразу ясно, как его использовать, но подумать нужно. Вы ведь проходили действие магнитного поля на проводник?
— Да, в прошлом году. Когда проводник движется в магнитном поле, в нем создается электрический ток.
— И еще там действует механическая сила, по правилу какой-то руки, правой или левой...
— Левой. Так вот. У воды электропроводность намного выше, чем у бензина. Каждая капелька воды — маленький проводничок, в ней при движении в магнитном поле возникает микроток, значит, на нее действует сила, «отгоняющая» ее от основного потока в сторону тем сильнее, чем больше магнитное поле и скорость движения. Получается в принципе, что, наложив магнитное поле на поток смеси, можно отделять воду от бензина.
— А что если соединить это с сепаратором? — спросил Женя.— Там все равно жидкость крутится с большой скоростью. Поставить магнит — и пожалуйста, разделяй!
— Интересно, хотя для этого придется обычный сепаратор сильно переделать.
— Можно сделать иначе,— предложил Толик.— Вот эти икс-человечки, «хватающие» воду, должны быть магнитными. Тогда они унесут с собой воду при помощи магнита!
— Есть похожее изобретение, — сказал Изобретатель. — Вы, конечно, знаете, какие экологические катастрофы происходят, когда по поверхности моря разливается нефть? Для сбора разлившейся нефти было предложено рассыпать на поверхность воды пористые гранулы, несмачиваемые водой, но хорошо впитывающие нефть. Но как потом собрать эти гранулы с поверхности воды?
— Понятно! Добавить в гранулы послушных человечков — "магнитиков".
— Да, в эти гранулы стали добавлять железный порошок и собирать магнитом. А вот для очистки воды такой метод, по-моему, еще не применяли. Может быть, это было бы изобретением... Ну как, интересно изучать физику с помощью маленьких человечков?
— Да, похоже на игру!
— А можно такую игру сделать! — предложил Женя.— Кто- то строит картину и спрашивает другого — что это? Только еще цвет использовать. Например, человечки льда, воды, водяного пара — одного цвета. Вот, отгадайте картинку!
 |
— Снизу жидкость, сверху твердое тело того же
цвета — это та же
жидкость, но в твердом состоянии, а еще выше — газ.
— Это похоже на прорубь во
льду! — догадался кто-то.— А сверху— пар.
— А если человечки твердого тела будут другого цвета? — Скважина нефтяная! — Выключенный фонтан! — А если теперь наложить поле, например, тепловое? — спросил Изобретатель.— Что будет? |
— А потом жидкость закипит! — Женя заменил несколько человечков жидкости на человечков газа того же цвета.— Человечки газа станут лезть наверх и толкать «жидких» человечков. Включится фонтан!
— А если просто нагреть трубочку и опустить в воду, что произойдет? — спросила Света.
Женя строил новую картинку. Трубочку он набрал из красных — горячих человечков. Вот она внутри жидкости. В нее забегают жидкие человечки и превращаются в пар, который выходит из трубки.
— И так, пока трубка не остынет? — спросил Женя. — Не уверен...— протянул Изобретатель.
— Я думаю, что в первый момент будет выходить пар. А вот когда немного остынет трубочка, может получиться, как в предыдущей картинке — фонтан из пара и воды, пока трубка совсем не остынет. А вообще-то было бы интересно проверить.
Физик грел в пламени горелки тонкую металлическую трубку. Затем сунул ее в стакан с водой и... ничего не вышло! Ребята замерли. Неужели маленькие человечки обманули? Но Физик уже догадался, в чем дело. Он нагрел трубку посильнее, ее конец засветился малиновым светом. Снова опустил ее в стакан, и вот теперь из противоположного конца вылетели брызги, пар, вода!
Опыт повторяли три раза к буйной радости ребят.
— А можно еще по-другому играть в человечков,— сказала Света, когда все успокоились.— Как в лото. Перевернем всех человечков вниз картинками и будем брать по очереди наугад и говорить, что получилось.
Она перемешала все картинки с человечками и взяла наугад одну из них. Это оказался человечек твердого тела.
— Это — Земля,— сказала Света. Следующего человечка вытащил Женя.
— Это океан на Земле.
— А это корабль в океане,— сказал Изобретатель, устанавливая своего человечка.
— У корабля на буксире баржа.
— Это воздух вокруг корабля.
— А это кастрюля с супом на камбузе, — заявил под общий смех Толик, который никак не мог придумать, что означает человечек жидкости, но другого цвета, то есть не воды.
— Нужно еще сделать квадратики с названиями полей,— предложила Света.— Тогда будет еще интереснее. Например, если электрическое поле — это гроза, если в воздухе...
— А если в супе? — съязвил кто-то.
— Тогда это электронагреватель! Или молния ударила в камбуз! — не растерялась Света.
НОВАЯ ИГРА
Разговор в учительской
ИГЗ: Все колеблется
ЗАДАЧИ:
РАЗГОВОР
В УЧИТЕЛЬСКОЙ
— Молодцы ребята, интересные игры придумали,—удивлялся Физик.— А
скажите, эти игры в самом деле новые? Был момент, когда мне показалось,
что вы ребят «наводите», подталкиваете к идее.
— Жаль,— огорчился Изобретатель,— надеюсь, ребята этого не заметили. Понимаете, очень важно, чтобы они были уверены, что новую идею нашли сами. Тогда к ней появляется особый интерес, «родительские» чувства.
— А как вы думаете, не страшно, что мы не смогли на некоторые вопросы ребят ответить? — спросил Физик озабоченно.— Помните, как они оживились?
— Вы считаете, что они злорадствовали?
— Не знаю. Скорее всего нет, но все-таки...
— Думаю, что они оживились, потому что почувствовали: речь зашла о чем-то новом, неизведанном. Это всегда так увлекательно! А учитель не обязан знать ответы на все вопросы. Конечно, если эти вопросы не входят в круг обязательных знаний.
— Я понимаю, природа неисчерпаема, всегда найдутся вопросы, на которые нет пока ответов, но все они обычно так далеки от школьной программы. А когда учитель не может ответить, он теряет авторитет,— настаивал Физик.
— Честно признаться, что чего-то не знаешь,— это не потеря авторитета. Ребята такие вещи хорошо понимают. А вот попытки «выкрутиться» действительно его уронят,— отвечал Изобретатель.— Вы еще просто не привыкли. А я часто сталкиваюсь с задачами, решения которых лежат в малоизученных областях науки, техники... Да на многие вопросы ответить сразу просто невозможно, нужно сначала провести исследования, опыты. Нередко для того, чтобы ответить, нужно решить исследовательскую задачу.
— Ну, здесь ТРИЗ уж не поможет,— сказал Физик.— Здесь, как в «Двух капитанах» — «Бороться и искать...»
— Подумать тоже не мешает,— заметил Изобретатель.— ТРИЗ и здесь помогает. В ней есть специальный подход к решению исследовательских задач. И овладеть им может каждый. По-моему, если учитель будет сам с ребятами решать такие задачи, то его авторитету ничего угрожать не сможет.
НОВАЯ ИГРА
Разговор в учительской
ИГЗ: Все колеблется
ЗАДАЧИ:
ИГЗ:
ВСЕ КОЛЕБЛЕТСЯ
Изобретатель просматривал последние записи. Пришел черед
акустического поля — тоже механического по природе, но во многих
случаях гораздо более эффективного обычной механики. Есть
закономерность в развитии техники — переход к использованию вместо
постоянных полей переменных. Изобретатель спрятал толстую папку с
надписью «Механика» и достал новенькую. «Колебания, вибрации, волны.
Звук, инфразвук, ультразвук» — написал он на ней.
Все течет, все изменяется — так говорил в древности греческий философ Гераклит. С еще большим основанием сегодня можно сказать, что все колеблется. Тепловые колебания атомов, шум и вибрации работающей машины, биение человеческого сердца, музыкальная симфония, разнообразные атмосферные явления, полет планет по орбитам — все эти явления есть колебания — движения «из стороны в сторону», описываемые похожими формулами, подчиняющиеся аналогичным уравнениям тео¬рии колебаний. Как создаются вибрации, колебания, в том числе и привычный нам звук? Способов множество, срабатывают все поля из МАТХЭМ. Ну, конечно, механика. Изобретатель провел концом скрепки по стеклу на своем столе и поморщился от очень неприятного скрипа. По научному этот скрип называется фрикционными колебаниями (по латыни слово «фрикцио» — трение), то есть колебания от трения, которое происходит между двумя трущимися поверхностями твердых тел. И скрип, вернее, фрикционные колебания много могут порассказать об этих поверхностях, да и о самих твердых телах тоже.
Лет 150 назад молодому инженеру-мостостроителю Дмитрию Ивановичу Журавскому поручили спроектировать железнодорожный мост. Ему очень хотелось использовать в проекте недавно изобретенные решетчатые фермы вместо привычных балок, что позволило бы существенно облегчить конструкцию моста.
Но
тогда еще не было методики расчета подобных ферм.
Д. И. Журавский разработал собственную методику, но она дала странные
результаты. Получалось, что в некоторых элементах конструкции
вместо
ожидаемых сжимающих усилий должны были действовать растягивающие.
Конечно, нужно было проверить правильность расчетов на макете, но как
определить усилия, если до изобретения тензометрических датчиков
(датчиков напряжений) оставалось еще лет сорок! Журавский решил
определять усилия на слух. Он заменил в модели все элементы, которые,
по его расчету, должны были испытывать растягивающие усилия, струнами
и настроил их в ненагруженном состоянии в унисон (на одну частоту).
Затем стал постепенно нагружать модель. После каждого прибавления
нагрузки он обходил модель
и проводил по струнам смычком. По изменению высоты звука под нагрузкой
легко вычислялись действующие усилия. Все измерения совпали с
расчетами.
Возбуждать колебания любых частот можно и ударами. В Древнем Риме были построены могучие боевые машины, предки современной артиллерии — катапульты. У катапульты много общего с обычной рогаткой, только вместо резины (о ней в Древнем Риме не имели понятия, да и не годилась она для таких нагрузок) использовали два мощных каната, сплетенных из женских волос. Чтобы камень из катапульты летел в нужное место, необходимо было обеспечить равное натяжение обоих канатов. А как проверить натяжение? Оказалось, что очень просто. По канатам легко ударяли молотком и слушали, как они звучат. Если натяжение было одинаковым, звук получался тоже одинаковым. И точность была отличной, ведь музыкальный слух — достаточно «тонкий» инструмент.
Каждый слышал хоть однажды рычание водопроводной трубы, журчание ручейка, плеск набегающих на берег волн и, конечно, представляет, что создавать звук может текущая вода. Но чаще всего источником звука является поток воздуха. Когда в потоке воздуха оказывается твердое тело, позади него возникают завихрения, воздух при этом колеблется — а это и есть звук. И если тело может перемещаться, изменять свою форму и твердость, то будет меняться высота звука. Так устроены наши голосовые связки: они колеблются под воздействием проходящего через них воздуха, а полость рта и носоглотка служат резонаторами, усиливающими звук. Интересно, может ли звук создаваться теплом? Несмотря на хорошую память, Изобретатель не мог сразу ответить на этот внезапно возникший вопрос. Пришлось снова порыться в картотеке. Странный факт: собаки не любят, когда в доме оттаивают холодильник — убегают из кухни. В чем дело? Оказывается, таяние льда сопровождается довольно сильными щелчками, но в диапазоне частот, которые человек не может слышать (известно, что область слышимых для человека частот — от 50 герц до 20 тысяч герц). А собаки слышат и более высокие частоты, недоступные человеку. Когда-то этим свойством пользовались браконьеры, охотясь в чужих угодьях. Они отдавали команды собакам с помощью свистков, не слышных человеку, И еще сообщает о своем кипении чайник, шипит раскаленная сковорода... Тепловое поле тоже «разговорчиво».
Звук «по-химически» — что это такое? Вроде химия — дело тихое. А взрывы?
Насчет «звучания» электрических и магнитных полей сомнений нет. Колеблется кристалл пьезоэлектрического вещества — кварца под действием электрического поля, стальная мембрана под действием магнитного — и из динамика слышна музыка, человеческая речь. Грохочет гром — это электрический разряд, басовито гудит электродвигатель в пылесосе и вентиляторе, звенит электрический звонок...
1858 год. Газовый рожок ровно освещает комнату. Но вот заиграла виолончель, и по комнате побежали световые блики — пламя заколебалось в такт музыке. Так было открыто влияние звука на огонь.
Ревет реактивный двигатель. Рядом включают небольшой динамик. И его звук во много раз более тихий, чем шум воздушной струи, заставляет ее «взреветь» сильнее. Но вот частоту звука динамика меняют, и, словно по волшебству, шум двигателя уменьшается, ускоряется течение воздушной струи. Звук дробит мощные кольцевые вихри, зарождающиеся на выходе из сопла двигателя и создающие шум, Влияние звука на процесс зарождения турбулентных вихрей в струе жидкости или газа — открытие советских ученых — аэродинамика А. С. Гриневского и акустика Е. В. Власова. Им выдан диплом на открытие № 212. Возможно, это реальный путь к созданию «тихого» самолета.
Скрипач взял запыленную скрипку и провел по ней смычком. И вдруг увидел, что по освещенной солнцем деке скрипки побежали пылинки. Так по преданию был открыт эффект вибротранспортировки, широко используемый сегодня. В рудном карьере на стальной ленте вибротранспортера перемещаются, как по щучьему велению, вверх глыбы камня весом в несколько тонн. А вот стальная труба, опущенная вертикально вниз в емкость с мукой или песком. Включается вибрация — и сыпучий груз сам лезет вверх, высыпаясь в нужном месте. Как это все происходит? Весь секрет в подборе формы и ритмики колебаний. Мелкими толчка¬ми груз отбрасывается от одной стенки к другой, которая в этот момент двигается вверх, от нее — снова к первой, которая только что двигалась вниз, а теперь тоже пошла вверх. Стенки колеблются вокруг одной и той же точки сотни раз в минуту, а груз ползет и ползет.
Еще одно удивительное явление, связанное со звуком и вообще любыми колебаниями,— эффект самосинхронизации. Еще Гюйгенс заметил, что если несколько маятниковых часов висят на одной стене, то через некоторое время они все начинают качаться в лад, согласованно. Но этим мало кто интересовался. Только во второй половине нашего века на это явление обратили внимание после удивительного случая. Стояли рядом два электрических виброгенератора, исправно вращались в них роторы, создавая вибрацию. И вот однажды обмотка одного из них перегорела, но он продолжал вращаться как ни в чем ни бывало! Оказалось, что его фактически «тянула» за собой, заставляла вращаться вибрация, создаваемая вторым генератором. Самосинхронизация — свойство самых разных колеблющихся объектов вырабатывать единый ритм совместного движения, несмотря на то, что индивидуальные ритмы различны, да и связи между объектами часто очень слабы. Ученые объясняют этот эффект с помощью сложных нелинейных дифференциальных уравнений теории колебаний. Самосинхронизация очень распространена в окружающей среде, но к ее изучению приступили недавно, и в этой науке еще много белых пятен. Самосинхронизируются достаточно далеко стоящие друг от друга электродвигатели и автоматические прессы (с этим приходится бороться), органные трубы, квантовые генераторы. Явлением самосинхро¬низации объясняют то, что Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Синхронно машут крыльями журавли в стае, мигают светлячки, переходят в ритмичные аплодисменты нестройные вначале хлопки в театре... Врачи подозревают самосинхронизацию в заболеваниях некоторыми видами раковых опухолей и на нее же надеются в борьбе с ними.
Диким голосом «поет» фуговальный станок, снимая с дерева тонкую стружку. Еще бы! На вращающемся со скоростью 30 000 оборотов в минуту ножевом валу закреплены четыре острых ножа, рассекающие воздух. Визг на весь завод. Избавиться от него помогло предложение молодого рабочего. На валу установили дополнительные четыре... нет, не ножа, это ухудшило бы обработку, а простые стальные пластинки. Теперь частота «визга» увеличилась и вышла за диапазон человеческого восприятия. Станок «затих», перешел на ультразвук.
Ультразвук сегодня работает в самых разных областях. Он режет твердые материалы, очищает от грязи поверхности, снижает трение в подшипниках и при резании металлов. Если прижать друг к другу детали из разного металла (или полимера) и наложить на них ультразвуковые вибрации, то они сварятся между собой. Правда, толстые слои таким образом не соединить, здесь потребуется обычная электросварка. Но наложение ультразвука при электросварке существенно повышает ее качество: под воздействием ультразвукового капиллярного эффекта жидкий металл лучше растекается, ультразвук «выгоняет» из расплава частицы примесей и газы, улучшает структуру кристаллизующегося металла, снимает возникающие при остывании внутренние напряжения. Все эти преимущества можно реализовать не только в сварке, но и в металлургии и машиностроении, когда речь идет о получении металлов и изделий особого качества.
В радиоэлектронных устройствах иногда требуется задержать один сигнал относительно другого. Для этого его можно пропустить по более длинному пути. Но слишком уж быстро движутся электромагнитные волны, очень длинные линии задержки потребуются. А ультразвуковые линии задержки куда компактнее. На поверхности пьезокристалла напылены два электрода. Первый превращает электрические колебания в ультразвук, второй — ультразвук в электрические колебания. Расстояние между электродами, допустим, миллиметр. Скорость звука в твердых телах примерно километр в секунду, то есть в 300 000 раз меньше, чем электромагнитного поля, значит ультразвуковая линия задержки толщиной в миллиметр задерживает сигнал как 300 метров кабеля!
Инфразвук — антипод ультразвука, звуковые колебания сверхнизких частот. Во многом их возможности схожи. Например, инфразвук тоже может активизировать химические процессы, измельчать различные материалы. И хоть ему не под силу создавать такую высокую плотность энергии, как ультразвуку, зато он очень хорошо распространяется, может охватить большое про¬странство. По этой причине от него гораздо труднее защититься, чем от ультразвука, а защита часто необходима. Несмотря на то, что инфразвук так же не слышен для человека, как и ультразвук, он оказывает на человека вредное действие, вызывая ощущения страха, угнетенности, ужаса (это явление использовано в «Симфонии гнева» советского композитора Б. И. Тищенко. Специально построенная инфразвуковая труба длиной около 8 метров издавала звук частотой 11 герц). А очень мощный инфразвук частотой около 7 герц может вызвать сильные боли, внутренние кровотечения, свести с ума и даже убить человека. Не в этом ли загадка судна «Мария Челеста», которое было обнаружено в океане без малейших признаков повреждений, но и без экипажа? До сих пор ломают голову, куда он мог подеваться и почему. А ведь море в штормовую погоду может генерировать очень сильные инфразвуки. Некоторые ученые считают, что тайна Бермудского треугольника в том, что из-за географических и климатических особенностей в этом районе иногда могут возникать очень мощные инфразвуковые колебания.
Задача 20. Этот случай произошел в Одессе на конспиративной квартире революционеров. Обстановка была тревожной, полиция могла нагрянуть в любое время, но уходить подпольщики решили только в самом крайнем случае — в других местах было не лучше. И вдруг — стук в дверь. Хозяин спускается вниз, открывает парадный ход— полицейские! Под дулом пистолета хозяин должен вести полицейских наверх и не крикнешь друзьям... Тем не менее, когда полиция поднялась, никого не было, революционеры ушли другим ходом. Но как они узнали, что нужно уходить?
Задача 21. Как записать без искажений симфонию, чтобы тот, кто слушает стереофоническую пластинку дома, воспринимал музыку как будто он сидит в зале филармонии?