Witajcie ponownie. Dziś pozwolę sobie kontynuować moją opowieść o falach. Tym razem zajmiemy się falami mechanicznymi, a w szczególności dźwiękowymi.
Fala mechaniczna to taka, w której energia i właściwości zjawiska są “podawane sobie na wzajem” przez cząsteczki dowolnej materii. Po raz kolejny przekonujemy się tutaj, że to nie same cząstki się poruszają z prędkością fali, ale fala jako coś odrębnego przenosi się wykorzystując cząstki. Kiedy wołacie do kogoś to wcale fakt, że on was słyszy nie oznacza, iż otrzymał uderzenie tajfunu o prędkości ponad 300 metrów na sekundę. Do was dotarł tylko dźwięk.
Mnie osobiście zawsze fascynował fakt, że żyjemy w świecie, w którym istnieją materia i energia która ma wiele postaci np. fale; zjawisko które jest jakby niezależnym bytem. Jest niemal czymś żywym, bo rodzi się, żyje pędząc przez przestrzeń, słabnie i umiera po jakimś czasie.
Wróćmy jednak na “Ziemię”. Nie bawmy się w definicję tego czym jest dźwięk; w końcu “koń jaki jest każdy widzi” jak napisano w pierwszej polskiej encyklopedii. Zajmijmy się właściwościami tej fali i tym, co to dla nas oznacza.
Dźwięk – jak to fala – ma swoją częstotliwość, czyli wysokość tonu. Ludzie słyszą fragment zakresu jaki może mieć częstotliwość dźwięku. Przyjmuje się, że przedział słyszalności to 20 do 20000Hz. Niższe dźwięki to tak zwane infradźwięki, wyższe to ultradźwięki. O tym czemu akurat tak słyszymy może napiszę innym razem.
Dźwięk ma także swoją barwę. Barwa to zbiór wszystkich fal jakie zawiera dany “głos”. Tak, tak, bo fale powstają niejako stadnie. Kiedy uderzycie łyżeczką o szklankę powstaje całe mnóstwo fal o różnym kształcie i częstotliwości. Nasze uszy odbierają taki zbiór jako coś co nazywamy barwą dźwięku. Oczywiście pojedyncza fala też ma barwę, bo inaczej słyszymy czystą sinusoidę, inaczej falę prostokątną i tak dalej.
Inna właściwość fali to jej prędkość. Dźwięk inaczej rozchodzi się w powietrzu na poziomie morza, inaczej wysoko, a wielokrotnie szybciej w wodzie. Czemu? Woda jest znacznie gęstsza więc cząsteczkom łatwiej “przekazać energię” sąsiadkom. Poza tym cząsteczki gazów są bardzo ruchliwe i sporo energii ginie przez ten chaos, dlatego głos w powietrzu zanika szybciej niż w wodzie. Na pewnej głębokości około tysiąca metrów woda morska ma taką temperaturę i gęstość, która bardzo odpowiada dźwiękom. Dlatego śpiew wielorybów słychać na odległość setek, a nawet ponad tysiąc kilometrów od koncertującego śpiewaka.
Ludzie także wykorzystują to, że woda lepiej przewodzi dźwięk. Kiedy w spokojny dzień pochylicie się tuż nad powierzchnią jeziora i zawołacie, to wasz głos pobiegnie całe kilometry i możecie prowadzić rozmowę poprzez taflę wody. Jak to możliwe, skoro nie wołacie pod wodą? Ano, sprawa ma się tak. Cząsteczki wody wewnątrz jeziora przyciągają się równo z każdej strony. Ale na powierzchni tafli brak sąsiadek z jednej strony, bo mamy powietrze, a ono przyciąga się z wodą słabiej niż woda z wodą. Ponieważ jednak energia przyciągania nie ginie jak każda energia, więc te cząsteczki, które tworzą powierzchnię jeziora przyciągają się mocniej. Powstaje więc cieniutka błonka wykorzystywana przez niektóre owady potrafiące biegać po powierzchni wody. Jeśli delikatnie położycie kawałek metalowej folii na taką powierzchnię, to metal wcale nie zatonie. Utrzyma go ta dodatkowa siła przyciągania jaka istnieje między cząsteczkami powierzchni.
Co to jednak ma wspólnego z krzykiem? Mnóstwo. Taka błonka działa jak membrana. Po niej dźwięk biegnie szybciej i dalej niż w powietrzu i dlatego można rozmawiać poprzez jezioro. Nie może być tylko fal na wodzie, bo one zakłócą naszą wiadomość.
Każda substancja ma swój sposób przenoszenia fal. Niektóre mają splątane włókna i tłumią dźwięki. Wykorzystuje się to w pokojach muzycznych pokrywając ściany specjalnymi płytkami przypominającymi w dotyku styropian.
Każda substancja ma także taki zakres dźwięków które są dla niej zabójcze, ponieważ wprawiają cząsteczki danej substancji w rezonans. Przejmują one wtedy energię fali i w rezultacie całość się rozpada. Można np. dźwiękiem “rozbić szklankę” co potrafią niektóre operowe śpiewaczki. Właściwość rezonansu wykorzystuje się także tworząc noże ultradźwiękowe wykorzystywane w przemyśle czy medycynie.
Ta sama właściwość (rezonans) bywa niebezpieczna. Dźwięki o niskich częstotliwościach mogą wpływać na pracę narządów organizmów żywych np. zakłócając rytm serca.
Fale także się odbijają. Odbite dźwięki wracają do nas jako echo, dlatego właśnie tytuł tej opowieści to hołd dla biednej nimfy z mitologii greckiej.
Umiejętność określania przestrzeni wokół nas na podstawie kierunku i charakteru odbitego dźwięku to echolokacja. Nie zajmiemy się tutaj szczegółami, bo to osobny temat, ale każdy z nas wykorzystuje mimowolnie to zjawisko. Słyszymy, gdzie są budynki dzięki odbitym dźwiękom jadących samochodów i tak dalej.
Nietoperze i niektóre inne zwierzęta same wysyłają fale i słuchają ich odbicia namierzając tym sposobem przeszkody czy swoje “przelotne” przekąski.
Dźwięki jednak nie lubią chaotycznego ośrodka. Kiedy np. w powietrzu unosi się gęsta mgła to głos staje się przytłumiony. Fale muszą przenosić się z kropelek na cząsteczki powietrza, część z nich odbija się od drobin wody tworzących mgłę, wpada na inne fale i cały dźwięk szybko traci energię. Teraz jest idealna pora roku by posłuchać, jak brzmi odgłos miasta w pogodny, zimny dzień, jak w czasie gęstej mgły i tak dalej. Zachęcam do takiej zabawy.
Na koniec zagadka: Czemu ptaki wiosną najchętniej śpiewają rano i wieczorem?
Odpowiedź jest taka. O tej porze doby powietrze jest najspokojniejsze. Prawie nie ma wiatru, a wiatr to też fala i to także dźwiękowa więc zakłócałaby miłosne pieśni tłumiąc je bardzo. Skoro chcemy więc ogłosić światu – myślą ptaki – że to moje miejsce, gdzie mam gniazdo, skoro chcemy zaprosić do gniazda nieznaną miłość, to najlepiej robić to wtedy, kiedy nasza wiadomość dotrze najdalej prawda?
Żegnajcie. Spotkamy się w kolejnej opowieści.
Kamila Świtaj
