Звук с давних пор считался одним из самых загадочных явлений природы. В самом деле, что порождает звук? Что заставляет его неведомыми путями распространяться и достигать нашего слуха? Почему звук, едва родившись, так быстро замирает? Эти вопросы издавна волновали пытливый ум человека.

Ничего не зная о природе звука, человечество на протяжении тысячелетий пользовалось им. Люди очень давно подметили некоторые закономерности в этом явлении, выделив из массы звуков отдельные комбина­ции их, производившие приятное впе­чатление на слух. Это было одной из причин зарождения музыки, старейшего из искусств.

Наши отдаленные предки устано­вили чисто практическим путем ос­новные закономерности построения музыкальных инструментов. Они зна­ли, например, что лира или арфа об­ладают хорошим тоном лишь в том случае, если их струны по своей длине и толщине подобраны с со­блюдением некоторых числовых со­отношений. Только в этом случае каждая струна дает звук определен­ного тона. Правильное сочетание втнх тонов является основой музы­кальной гармонии.

Однако, почему все это происхо­дит, причину явления, древние масте­ра музыкальных инструментов объяс­нить не могли.

Первый, кто математически иссле­довал числовые соотношения тонов в музыкальных инструментах, был великий математик древности Пи­фагор, живший в VI в. до н. э.

Рассказывают, что однажды ученый, проходя мимо кузницы, заметил интересное явление; удары молотов о наковальню воспроизводили звуки музыкальных тонов — кварту, квинту и октаву. Пифагор стал искать причины столь необычайной музыкальности кузнечных инструмен­тов. В этот период Пифагор разраба­тывал свою теорию, числа как основы всего существующего. Надеясь и здесь найти числовые соотношения, которые помогли бы объяснять пре­вращение кузнечных инструментов в музыкальные, ученый решил взве­сить молоты. Оказалось, что веса меньших молотов составляют три четверти, две трети и половину веса большого. Тогда Пифагор попросил кузнецов взять другие молоты, ве­са которых не соответствовали бы найденным пропорциям. Однако но­вые молоты уже не давали музы­кальных тонов.

Этот случай послужил Пифагору поводом для постановки целой серии опытов. При помощи несложных при­боров знаменитый геометр обнару­жил, что высота тона струны зави­сит от ее длины и степени натяже­ния. Кроне того, исследованиями ученого было установлено, что в правильно настроенном музыкальном инструменте длины струн должны находиться в тех же отношениях, ка­кие были найдены при изучении му­зыкально звучащих молотов.

Открытый Пифагором закон давал объяснение только одному частному явлению из области звука. Более глубокие причины найденной закономерности, так же как н вообще природа звука, попрежнему оставались загадкой.

О природе и причинах распростра­нения звука древние натурфилософы выдвигали много предположений. Кое-кто уже тогда высказывал сме­лую догадку о колебательной приро­де звуковых явлений, Эти идеи на­шли наиболее верное и полное об­общение в сочинениях римского пи­сателя Сенеки, жившего в I в. н. э. Его семь книг, объединенных под общим заглавием «Естественные во­просы», были своеобразной энцикло­педией естествознания, которая со­хранила научную ценность почти до конца Средневековья. В этих книгах, написанных весьма живо и убеди­тельно, Сенека рассказывает о самых разнообразных проблемах естество­знания, в том числе и о звуке. Вот что пишет он о природе звуковых явлений:

«Что такое звук голоса, как не сотрясение воздуха ударами языка? Какое пение было бы возможно слы­шать, не будь этой упругой воздуш­ной жидкости? Разве звуки рожка, трубы и гидравлического органа не объясняются все той же упругой си­лой воздуха?»

Сенека очень близко подошел к современным взглядам на природу звука. Правда, это были только предположения, не яодкре пленные опытными, практическими исследова­ниями.

Последующие полторы тысячи лет очень мало прибавили к тому, что было известно людям о природе звука. В XVII в. Френсис Бэкон, ос­нователь опытного метода в науке, считал, что звук может распростра­няться не иначе, как при посредстве некоторой «упругой жидкости», ко­торая, по его мнению, входит в со­став воздуха. Это неверное утверж­дение Бэкона повторяло по сущест­ву отвлеченные рассуждения Древ­них натурфилософов.

Между тем к этому времени уже зарождалась опытная наука о звуке. В итальянском городке Флоренции великий ученый Галилей получал музыкаль­ные звуки, быстро проводя ножом по краю монеты,

Галилей нашел, что когда число зазубрин на монете велико, те­ло получается высокий тон. Отсюда ученый сделал вывод, что высота тона зависит от частоты толчков.

Опыты Галилея послужили осно­вой для работ французского ученого, монаха Мерсенна. В 1636 г. Мерсенн выпустил книгу, в которой описал свои исследования. Он хотел прове­рить закономерность музыкальных звуков, найденную Пифагором, и объяснить причины ее. После дли­тельных исследований и кропотли­вых изысканий Мерсенн выясвил, что высота тона зависит исключи­тельно от частоты колебаний звуча­щего тела. Он установил также закон колебания струн, согласно ко­торому число колебаний обратно про­порционально длине струны и квад­ратному корню из ее веса и прямо пропорционально квадратному корню из степени натяжения ее. Подобный же закон оказался справедливым и в отношении длины труб. Чем коро­че труба, тем большее число колеба­ний она дает, тем выше ее звук.

Эти опыты пролили свет на при­роду звука. Исследования Мерсенна доказали, что звук есть не что иное, как колебания частиц воздуха, вы­зываемые звучащим телом. Музыкальные молоты, поразившие Пифа­гора и положившие начало его ис­следованиям, порождали звук, уда­ряясь о наковальню. Понятно теперь, что более легкие молоты вызывали быстрые, т. е, частые, колебания, а тяжелые— медленные. Числа коле­баний молотов были пропорциональ­ны их весам.

Работы многочисленных ученых подтвердили основную идею Мер­сенна, Было установлено, что всякое колеблющееся тело с числом колеба­ний от 20 до 20 тыс. в секунду по­рождает в воздухе волны, восприни­маемые ухом в виде звука.

Когда была выяснена колебатель­ная природа звука, возник вопрос: какова же скорость распространения звуковых волк? Издавна было из­вестно, что звук распространяется гораздо медленнее, чем свет, Многим приходилось наблюдать, как удар (например молотом о наковальню или топором дровосека о дерево). Производимый иа некотором расстоя­нии от наблюдателя, воспринимается ухом несколько позже, чем глазом. Это происходит потому, что звуку требуется известное время, чтобы дойти до наблюдателя, в то время как свет распространяется практиче­ски мгновенно.

Первое определение скорости распространения звука в воздухе было произведено французским физиком и философом Пьером Гассенди в сере­дине XVII в.

В то время многие считали исти­ной утверждение Аристотеля, будто высокие тона распространяются быстрее низких. Гассенди решил про­верить это. Его опыт заключался в следующем. На определенном рас­стоянии от наблюдателя производи­лись одновременно выстрелы из ружья и пушки. При этом измерялся промежуток времени между появле­нием вспышки пороха и звуком вы­стрела, доходившим до наблюдателя. Опыт показал, что звуки обоих вы­стрелов распространяются с одина­ковой скоростью. Попутно Гассенди определил скорость распространении звука; по его расчетам, она оказа­лась равной 449 метрам в секунду.

Несмотря на неточность результа­та, опыт Гассенди имел очень боль­шое значение для дальнейших иссле­дований. Он давал метод, которым воспользовались впоследствии мно­гие ученые. Применив более совер­шенные приборы, они нашли истин­ную скорость звука в воздухе. При этом было обнаружено, что она не остается постоянной, а изменяется.

В 1667 г, знаменитый исследова­тель, соотечественник я сподвижник Ньютона, Роберт Гук произвел серию опытов, раскрывших новые свойства звука. До этого времени многие уче­ные, подобно Бэкону, считали воздух единственной средой, в которой звук способен распространяться. А между тем в обыденной жизни встречались – явления, говорившие о другом. Было известно, например, что, припав ухом к земле, можно услышать конский топот. Точно так же, нырнув в воду, можно явственно слышать шум при­боя, плеск весел движущейся лодки, удары камней друг о друга. Гук знал, конечно, об этих фактах. Он решил опровергнуть неправильное утверждеие Бэкона и его последова­телей.

Проведя серию очень интересных и оригинальных опытов, ученый при­шел к результатам, которые записал в своем лабораторном журнале: “До сих пор никто еще не занимался во­просом о том, при посредстве каких других сред, кроме воздуха, звук может быть воспринят человеческим ухом. Я утверждаю, что с помощью вытянутой проволоки я передавал звук иа значительное расстояние, и притом со скоростью если не равной скорости света, то во всяком случае несравненно более значительной, не­жели скорость звука в воздухе”.

Гук проделывал весьма любопыт­ный опыт, Он прикладывал скрипку к медной пластинке с припаянной к ней проволокой. Эта проволока выхо­дила через окно в сад и на значительном расстоянии от дома оканчивалась небольшой мембраной. Человек, находившийся у мембраны, мог явственно слышать игру скрипке.

Дальнейшие исследования показали, что скорость распросгранения звука в различ­ных твердых телах неодинако­ва. Из всех металлов железо, обладает наибольшей звуко­проводностью. Скорость звука в нем равна 5 тыс. метров в секунду, а, например, в свинце звук распространяется со скоростью всего 1200 метров в секунду.

В 1827 г. французский геометр и физик Штурм вместе с швейцарским физиком и инженером Колладоном решили определить скорость распро­странения звука в воде. Опыты были проведены на Женевском озере, глубина и чистота которого делали его особенно пригодным для этой цели. На одном конце озера, близ местеч­ка Ролль, на якоре стояла лодка, в которой поместился Штурм. Он должен был давать одновременные световые и звуковые сигналы при помощи особого механизма. Механизм действовал таким образом, что одно­временно с ударом молоточка о нахо­дящийся под водой колокол вспы­хивала небольшая кучка пороха. Появление света в этот момент служило сигналом отправления звука.

Колладон отъехал от Штурма на 12 километров. .Здесь он принимал световые и звуковые сигналы с дру­гого конца озера. 8 одной руке ученый держал слуховую трубу, конец которой был опущен в воду, в дру­гой — секундомер. Определяя время, прошедшее между появлением свето­вого сигнала от вспышки пороха и гулом колокола, Колладон вычислял скорость распространения звука в воде. Этот опыт был повторен несколько раз. Оказалось, что скорость звука в воде почти в четыре I раза больше, чем в воздухе. При 4 температуре воды в 8° она равна 1431 метру в секунду.

К концу XVIII в. колебательная природа звука уже ни у кого не вы­зывала сомнений.

Знаменитый английский математик, физик и астроном Исаак Ньютон первый произвел блестящий матема­тический анализ волнового н коле­бательного движений. Он дал формулу, по которой можно было теоре-тнческии путем вычислить скорость звука в различных средах. Исследования Ньютона продолжал Лаплас и другие математики. Их теоретиче­ские работы вполне совпали с ре­зультатами многочисленных опытов. Так, например, скорость распростра­нения звука в воздухе и других сре­дах, вычисленная на основании математических формул, вполне совпа­дала с опытными данными. Казалось бы, все, что можно знать о звуке, уже известно. Но вот в 1787 г. в Лейпциге вышла книга молодого не­мецкого физика Хладни. В этой кни­ге описывались невероятные вещи. Если верить исследователю, то, ока­зывается, звук можно не только слы­шать, но и видеть.

Эрнст Хладни всю свою научную деятельность посвятил изучению звуковых явлений, Ему вестны работы Даниила Бернул ли и Леонарда Эйлера о в и бра циях прута и струн. Это были нссле дования простейших звучащих тел. Но как ведут себя более сложные звучащие тела, вроде, например, ко­локола? На этот вопрос современная Хладни наука не давала ответа. О том, что не только струны, но и многие другие предметы — бокалы, трубки, пластинки — можно заставить звучать, проводя по ним смычком, было известно давно. Ученый решил применить смычок к исследованию звучащих тел. Лаборатория исследо­вателя наполнилась многочисленными предметами самой неожиданной фор­мы и назначения. Бокалы, стаканы, чашки, металлическая посуда, пла­стинки, прутья и стержни из стекла и металла — каждый отвечал своим «голосом» на прикосновение магиче­ского смычка.

Конечно, все это не было простой забавой. Вскоре ученый подметил интересное явление. Он налил в чашку воды, желая проверить, оди­наково ли звучат пустая чашка и чашка, наполненная жидкостью. Как только Хладни провел смычком по краю чашки, на поверхности воды появилась мелкая зыбь, вызванная дрожанием стенок сосуда. Эта зыбь была слишком мелка, чтобы ее мож­но было изучать, к тому же она бы­стро пропадала. Исследователь заду­мался над тем, как бы сделать эту зыбь более устойчивой.

Хладни взял медный кружок и, за­крепив стержень, на котором был укреплен кружок, провел смычком по краю кружка. Кружок начал виб­рировать, давая звук низкого тона. Когда звук прекратился, исследова­тель посыпал кружок песком. После этого он опять провел смычком по краю кружка. Можно представить удивление и радость ученого, когда на звучащем кружке появились чет­кие линии. Песок соскакивал с виб­рирующих частей кружка и собирал­ся там, где движения совсем не бы­ло. Теперь стал виден характер виб­рации звучащего тела. Чем выше был тон кружка, тем сложнее полу­чались песчаные фигуры.

Известие об опытах Хладни бы­стро облетело весь ученый мир. Фи­зики всех стран тщательно изучали загадочные Хладниевы фигуры. Эти опыты имели громадное значение не только для изучения звука, но и для популяризации акустики вообще. Опыты Хладни н в наше время слу­жат прекрасной демонстрацией коле­бательной природы звуковых явле­ний.

Впоследствии были найдены и другие способы делать звук види­мым, Можно, например, приделать к мембране острие, которое упирается в закопченную пластинку. Когда око­ло этого простого прибора ведется разговор, мембрана колеблется, и дрожание ее передается острию. В это время пластинке сообщают по­сту пательное движение. Острие чер­тит иа закопченной поверхности зиг­загообразную линию. Характер этой линии меняется в зависимости от ха­рактера звуков, воспринимаемых мембраной.

Надо было найти способ фиксирования звуковых коле­баний, чтобы потом можно было по полученным следам воспроизвести записанный разговор,

Эту задачу блестяще разрешил знаменитый американский изобрета­тель Томас Эдисон. В 1876 г. он устроил приспособление к телеграф­ному аппарату Морзе, позволяющее чисто механическим путем переда­вать телеграмму, полученную с од­ной линии, на другую. Этот прибор состоял из металлического цилинд­ра с винтовой нарезкой. При враще­нии цилиндра по нарезке ходил ме­таллический штифт. Между цилинд­ром и штифтом помещался лист бу­маги. Во время приема телеграммы штифт прорезал бумагу соответст­венно принимаемым сигналам.

Однажды Эдисон пустил свой ап­парат с необычайной быстротой. Ко­гда скорость возросла до того, что телеграфные сигналы уже нельзя было различить, изобретатель заме­тил, что аппарат издает музыкаль­ный тон. Этот тон менялся в зависи­мости от характера передаваемых сигналов, У Эдисона возникла мысль заменить телеграфные сигналы Мор­зе следами, оставляемыми человече­ской речью. Неутомимый исследова­тель немедленно же осуществил свою идею. Он сделал диафрагму, натянув на рамку промасленную бу­магу. К центру диафрагмы был при­делан острый стальной штифтик. Вместо бумаги телеграфный цилиндр был обернут оловянной фольгой. За­тем Эдисон начал медленно вращать цилиндр, одновременно произнося над диафрагмой различные слова. Звуковые колебания вызывали дро­жание диафрагмы, а вместе с ней и штифтика, который, вдавливаясь в фольгу оставлял на ней след в виде канавки неравномерной глубины. Так впервые был записан человеческий голос. Оставалось воспроизвести его. Эдисон снял первую диафрагму и поместил над цилиндром другую, снабженную тонким и гибким остри­ем. Цилиндр снова был приведен во вращательное движение. Острие, встречая иа своем пути возвышения и углубления, вычерченные штифт на оловянном листе, передавало колебания диафрагме. Машина заго­ворила; фонограф увидел свет.

Изобретение Эдисона ученые встретили по-разному. Одни вос­хищались, другие недоверчиво ка­чали головой, третьи считали, что здесь какой-то очень ловкий об­ман.

Фонограф Эдисона оказался родо­начальником целого ряда акустиче­ских приборов.

Похожие статьи:

1. Джоуль Джеймс Прескотт
2. Ньютон и Марат о притяже­нии лучей света
3. Как происходит кристаллизация жидкости
4. Тепло и холод. Теплопроводность
5. Ткани из стекла