Для настройки музыкальных инструментов применяется обычно звук ля с числом колебаний 435. В нотной записи он обозначается так:
3. Привычные звуки
Вокруг нас ежесекундно рождаются самые различные звуки.
В жизни природы очень редко бывает полная тишина. Пойдёте ли вы на пустынный берег реки, в поле или лес — вы всегда, прислушавшись, уловите слабые звуки: на берегу реки — чуть слышный плеск, в поле — лёгкий шорох колосьев, в лесу — треск сухой ветки, шелест листьев. Только иногда в знойный полдень царствует в лесу безмолвие. Все животные, истомлённые жарой, прячутся в густую чащу, и не слышно тогда ни пения птиц, ни звона насекомых, и ни одна былинка, ни один сучок не хрустнет в лесу. Но даже и в эти редкие часы вдруг повеет ветерок, зашуршит трава и зашумят листья на деревьях, будто их кто считает, перекладывая с места на место, как листы бумаги.
Но природа изменчива, и покой её не долог. Пройдёт час, и от тишины не останется и следа. Вот появляется откуда-то взявшаяся тёмная туча, закрывая собой солнце. Налетает вихрь, и воздух наполняется сотнями звуков. Блеснёт молния, и от глухих раскатов грома содрогнётся небо. Первые капли дождя, как маленькие молоточки, отрывисто застучат по гладким листьям. Сначала эти удары капель можно считать, но через какую-нибудь минуту они превращаются в сплошной шум водопада.
Но вот прошла туча, стих ветер, и звуки бури снова уступают место тишине. Только молчавшие до грозы ручьи зажурчат, запенятся и весело понесут свою мутную воду между камней. Так за короткое время в природе возникают и снова исчезают самые различные звуки.
Попробуем объяснить некоторые из звуков, рождённых природой.
Почему шумит от ветра лес?
Ветер шевелит листья деревьев; они трутся и ударяются друг о друга. При этом возникают колебания, которые и передаются по воздуху в виде звуковой волны. Шумит лес в разное время по-разному. Весной, когда листья нежные, их шелест низкий и мягкий; с приближением осени листья делаются жёсткими, и шелест их становится более грубым и высоким по тону. Как струны разной длины и толщины звучат по-разному, так и различные породы деревьев дают неодинаковый шум. Так, тополь, у которого листья сидят на длинных черенках, сильнее других деревьев шелестит при ветре. Хвойный лес со своими тонкими иглами всегда рождает шум более высокого тона, чем лиственный.
Перескакивая с камня на камень, бежит ручей. А где и как появляется его журчащий звук? Быстро текущая вода образует около камней водовороты и воронки. В этих водоворотах она как бы заглатывает в себя воздух. Вырваться из воды воздух может только при более спокойном течении. И журчание возникает уже за камнем — там, где из воды выходят пузырьки воздуха. Эти пузырьки, вызывая колебания, создают своеобразный звук бегущего ручья.
Часто мы слышим, как в проводах «воет» ветер. Воет ветер и в обнажённом лесу. Чем вызван этот вой?
Когда ветер слаб, то поток воздуха, встречая на своём пути провод, спокойно его огибает и беззвучно следует дальше. Но если скорость ветра значительна, то у провода возникают воздушные вихри. Порывистые воздушные течения обходят препятствия то с одной, то с другой стороны, тем самым раскачивают его. Провод начинает колебаться и звучать. Тому, кто катался на лодке, подобные колебания хорошо знакомы. При движении лодки опущенное в воду весло дрожит.
Многие из вас, вероятно, наблюдали также, как беспрерывно качаются при быстром течении воткнутые в дно реки тонкие колышки или вехи. Так же при ветре дрожат сучья обнажённого леса. Дрожания эти могут происходить с такой частотой, что возникает слышимый звук.
Часто говорят: «чайник уже шумит, скоро закипит». Каждый знает, что прежде чем закипеть, чайник должен шуметь. Как объяснить это явление? А вот как. Самое горячее место у чайника — его дно, и в первую очередь нагреваются нижние слои воды. В нагретой воде образуются пузырьки пара, которые благодаря своей высокой температуре выдерживают давление воды. Но нагретая вода легче холодной. Она, а вместе с ней и пузырьки поднимаются вверх и, смешиваясь с холодными слоями воды, отдают часть своего тепла. Температура пара в пузырьках падает, а значит, падает и давление внутри их. Теперь они уже не могут противостоять давлению воды и как бы раздавливаются ею. Частички воды со всех сторон устремляются внутрь пузырьков и, сталкиваясь, производят звук удара. Огромное количество таких ударов и создаёт «пение» чайника.
Подобное же явление наблюдается при работе винта парохода или моторной лодки, хотя они издают иной звук. От быстрого вращения лопастей в воде образуются пустоты, в которые со всех сторон летят частицы окружающей воды. Следующие друг за другом удары сливаются в сплошной гул. Кстати сказать, такие удары воды бывают настолько сильны, что иногда приводят к разрушению самого винта.
Рассмотрим ещё один пример — шипение воды, попавшей на раскалённую поверхность, например на горячую плиту. В этом случае нижний слой воды моментально вскипает, превращаясь в пар. Каждая капля воды, переходя в пар, увеличивается в объёме приблизительно в полторы тысячи раз. Этот пар разбрызгивает остальную воду, и мелкие капли её, падая на горячую плиту, вскипают с тем же увеличением своего объёма. Быстрое превращение капель воды в пар вызывает толчки в окружающем воздухе, что и порождает характерный звук шипения.
III. Как слышит ухо
1. Устройство уха
Познакомившись с физической природой звука, посмотрим теперь, каким путём он воспринимается.
Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это — необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.
С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко ещё не всё в этой области выяснено. Строение человеческого уха показано на рисунке 9. Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 9).
Рис. 9. Схема устройства человеческого уха
Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это — редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.
От ушной раковины идёт слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь её — около 0,65 квадратного сантиметра.
Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон её было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко приходит в колебательное движение.
Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаём слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий — итальянский врач, живший в XIV веке — первый дал описание этой трубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается лёгкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.
В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 грамма. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передаёт колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня и стремя передают всю энергию колебания барабанной перепонки на очень маленькое овальное окно внутреннего уха; таким образом внутреннее ухо получает давление раз в 50–60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.
