Почему мы слышим громкий звук, когда гладкие поверхности трутся друг о друга? Ведь из материала выступает огромное количество "микроэлементов", которые (по моему мнению) при трении зацепляются друг за друга и, изгибаясь или отламываясь, производят крошечную продольную звуковую волну, а поскольку они делают это в разное время, то эти волны должны аннулировать друг друга? То, что не отменяется, должно быть практически неслышно.
ОТВЕТ
Этот вопрос поднимает ряд интересных проблем. Начнем с феномена производства звука самим трением. Это происходит, когда смычок скользит по струне инструмента, а также когда мы протираем ободок стеклянного бокала чистым влажным пальцем.
Однако, если палец не чистый (испачкан жиром), а смычок не смазан канифолью, это может не сработать, будет слышен только тихий шелест. Для эффективного получения звука при трении важно понимать разницу между статическим и динамическим трением. Когда вы проводите смычком по струне, сначала струна изгибается и следует за смычком.
По мере сгибания струны сила статического трения, с которой смычок натягивает струну, увеличивается до тех пор, пока захват не будет разорван. Затем статическая сила трения заменяется динамической силой трения. Если последняя значительно меньше первой, струна быстро втягивается, что уменьшает ее натяжение, т.е. силу, необходимую для ее движения вместе со смычком.
Захват восстанавливается, и весь процесс повторяется, что приводит к вибрации струны. Точно так же мы генерируем звук, проводя пальцем по ободку стакана, хотя стакан изгибается гораздо меньше, чем струна.
Второй интересной проблемой является суммирование множества звуков со случайными фазами. Вопреки интуиции автора вопроса, мы не получаем тогда ноль. Чтобы понять, почему это так, необходим небольшой расчет, в котором мы используем тот факт, что интенсивность звука (энергия в единицу времени) пропорциональна квадрату его амплитуды.
Можно показать, что два звука одинаковой частоты и амплитуды A1 и A2, отличающиеся по фазе на ß, составляют колебание с амплитудой A, удовлетворяющее условию A2 = A12 + A22 + 2A1A2cosß, в котором член, содержащий косинус, описывает интерференцию двух колебаний.
Когда разность фаз ß принимает случайные значения, интерференционный член усредняется до нуля. В результате суммирования квадратов амплитуд составляющих вибраций получается амплитуда результирующей вибрации. Это означает простое суммирование интенсивностей составляющих колебаний, причем в сумме положительных значений ничего не отменяется!
Наконец, можно задаться вопросом, как перейти от макроскопической картины (в которой существуют эмпирические величины - статическое и динамическое трение) к микроскопической, в которой мы ищем механизм явления трения.
Оказывается, такие вещи можно исследовать экспериментально, проводя крошечным лезвием по исследуемой поверхности и регистрируя силы, действующие на нее.
Этим занимаются, например, физики в Монреале (http://www.physics.mcgill.ca/~roland/).
Комментарии
Отправить комментарий