ЕСТЬ ЛИ ЧТО-НИБУДЬ НЕ ПОЮЩЕЕ В МИРЕ?

http://class-fizika.narod.ru/s11.htm

Запели тесаные дроги ...
С. Есенин
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е. Евтушенко

Имеется весьма обширный класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие колебательные движения носят название автоколебаний. В обыденной жизни мы, возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с колебаниями, вызванными периодическими силами.

Начнем с автоколебаний природного происхождения. Вой ветра в ветвях деревьев, в горах (вспомните у Тютчева: "Скалы поют, как кимвалы"). Это примеры автоколебаний вихревого характера, но продуктом воздействия постоянного возмущающего фактора могут быть и автоколебания строго периодического характера, одно- или многотональные.

Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указывает, что "ревущие сороковые" именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой ветра в снастях судов. Чичестеру во время "одиночной кругосветки" пришлось изучать язык своего судна. "Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл". Со временем Чичестер смог по звукам вполне точно определять скорость и направление ветра.

В великолепной монографии У. Брэгга "Мир света, мир звука" (к сожалению, сейчас подобные капитальные научно-популярные книги все больше вытесняются брошюрками-однодневками) имеется глава "Звуки деревни". Здесь что ни звук, то автоколебания. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими птицами.
А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение постоянного потока воздуха из легких, модулируемого колебаниями голосовых связок. Тончайшие фиоритуры модного колоратурного сопрано из столичного оперного театра и грубый рев быка с точки зрения физики звукообразования совершенно идентичны.

Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства. Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о "звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" - предостерегающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени - песок взревел и затрубил", - так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа "Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.

Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Калкан- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора безмолвствует...
Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые.

Если есть "звуки земли", то почему бы не быть голосу моря? Именно этим именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возникающие при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только открыл это явление, но и предложил использовать его для прогнозирования штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах.

Многочисленны и многообразны создания рук человеческих, в которых возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности - рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флейты. Позже - скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха.

У кого из архитекторов далекого прошлого возникла мысль создать гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов, правившего в XIV веке до нашей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться интуиции творца этого памятника и практическим представлениям его в области акустики.

Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о знаменитом "мемнонском колоссе", гигантском звучащем изваянии, установленном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы.

Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками, издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали другие секции конгресса, было пустовато.
Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э. эта способность была утрачена памятником.

Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой - после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа. Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения "пения".
Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей.

Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим творениям современности. Используя автоколебательные системы и принципы, удалось создать много нужных машин, приборов, устройств. В разработанных человеком устройствах особенно отчетливо выделяются три элемента необходимых для осуществления автоколебательного процесса. Это - источник постоянной энергии, собственно автоколебательная система и тот или иной регулятор поступления энергии в систему.

Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь - паровой котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм - золотник, а сама автоколебательная исполнительная система - движущийся в цилиндре поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и кривошипа.

В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем - анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно служат людям.

Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей.

Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить котлы от выхода из строя.

Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter - трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло возникнуть.

Другим опасным колебанием явилось шимми - виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми.
Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных тросов и даже к повреждению самих емкостей.

Судоводители, впервые обнаружившие это явление, по-видимому, не знали, что Рэлей предсказал возможность таких колебаний еще в конце прошлого века на основании результатов весьма изящного опыта. За отсутствием устройств, сообщающих жидкости прямолинейное движение, им был использован наполненный водой сосуд относительно большого диаметра, вращаемый вокруг вертикальной оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жидкости наибольшая, в воду был опущен груз маятника, то помимо естественного постоянного отклонения по течению жидкости он начал совершать также колебательные движения в перпендикулярном направлении. Итак, мы коснулись автоколебаний приятных (некоторые музыкальные звуки), автоколебаний полезных (составляющих основу устройства некоторых машин и приборов), наконец, автоколебаний опасных. 

Есть также автоколебания, пусть не особенно опасные, но в достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не с поющими, а с ворчащими, рычащими, стонущими трубами в ванной? А скрипы плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не всегда и не всех эти звуки раздражали. 

В повести Гоголя "Старосветские помещики" есть строки, свидетельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять: "Но самое замечательное в доме - были поющие двери. Как только наставало утро, пение дверей раздавалось по всему дому. Я не могу сказать, отчего они пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их, скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким дискантом; дверь в столовую хрипела басом; но та, которая была в сенях, издавала какой-то странный дребезжащий и вместе стонущий звук, так что, вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!"

И далее Гоголь пишет:
"Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длинная навевается мне тогда вереница воспоминаний!" Интересно, что сказал бы Гоголь или его милые старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вернее, страшный визг тормозов современного автомобиля? Едва ли хоть когда-нибудь и у кого-нибудь эти звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспоминания...