Текст книги "Физика в быту"

За три месяца до рождения в мозгу плода уже начинают действовать слуховые системы. Он воспринимает, прежде всего, звуки организма матери. Но до него доходят и звуки внешнего мира, хотя и приглушённые, и плод реагирует на них движениями и изменением сердцебиения.

О пользе раннего музыкального развития давно и много говорят и пишут. Установлено, что длительное обучение музыке вызывает физические изменения в мозге (как, впрочем, и обучение любым другим умениям и навыкам): увеличивается площадь слуховых зон, реагирующих на музыку, образуются новые межнейронные связи, так что можно смело говорить о музыкальном развитии мозга. Мозг можно тренировать так же, как вы накачиваете мышцы при регулярных упражнениях. Но есть ли от этого толк?

Скорее всего, не случайно среди талантливых физиков и математиков многие (более 60 %) обладают развитым слухом и регулярно музицируют (вспомним хотя бы Эйнштейна, играющего на скрипке под аккомпанемент другого гениального физика, Макса Планка). Идеи часто рождаются в правом «интуитивном» полушарии, а музыка, как уже говорилось, помогает его активировать. У талантливых людей хорошо и взаимосвязанно работают оба полушария, чему также способствует музыка. Гёте, к примеру, утверждал, что ему всегда лучше работается после прослушивания скрипичного концерта Бетховена.

У детей дошкольного возраста ведущую роль в обучении чему бы то ни было играет именно недоминантное правое полушарие, и в этом же возрасте активно формируются множественные межнейронные связи. При занятиях музыкой (и другими искусствами тоже) эти процессы активизируются.

Не обязательно учить ребёнка играть на инструменте (хотя это дело очень полезное, требующее координации работы двух полушарий), можно просто слушать музыку. Многие исследования подтверждают благотворное влияние музыки на умственное развитие, развитие пространственного мышления (за которое тоже отвечает правое полушарие), речи и внимания.

Есть распространенные мифы об особом воздействии музыки Моцарта: дескать, 10 минут прослушивания его сонаты заметно повышает уровень IQ студентов. Или что дети, которые росли под музыку Моцарта, в дальнейшем достигают большего успеха в жизни. Хотя строго научных доказательств «эффекта Моцарта» и нет, но и научного опровержения тоже нет. Так что никто нам не мешает верить и применять музыку Моцарта (и не только его – прекрасных композиторов много!) в качестве универсального релаксанта и стимулятора творческой активности. Надёжно установленными можно считать утверждения о том, что музыка должна быть: а) любимая, б) не слишком громкая.

Но о громкости будет отдельный разговор чуть позже. Сначала о приятном.

Греческий философ Пифагор (примерно VI век до н. э.) был убеждён, что правильно подобранная музыка может не только создавать нужное настроение, но и лечить болезни. Древнекитайский мыслитель Конфуций отводил музыке важную роль в управлении государством. В начале XIX века французский психиатр Эскироль успешно применял лечение музыкой в психиатрических клиниках. Во второй половине XX века музыкотерапия, как и арт-терапия в целом, стала одним из популярных направлений альтернативной медицины. В ряде стран западной Европы (Швеции, Германии, Австрии) и в США возникли музыкально-психотерапевтические центры и общества. Постепенно это направление лечения развивается и в России.

Между большинством болезней и психическим состоянием человека существует прямая связь, так что целебный потенциал музыки не вызывает сомнений. Под воздействием музыки меняются артериальное давление, частота сердцебиений, ритм и глубина дыхания. И, безусловно, огромное влияние музыка оказывает на нервную систему.

Сторонники музыкотерапии делятся на две группы. Одни считают, что её целебная сила основана «лишь» на психологическом воздействии. Но даже если так, разве этого мало? Другие верят в непосредственное физическое действие на организм звуковых волн. Но все сходятся в убеждении, что, хотя мы пока и не понимаем до конца всех механизмов воздействия музыки и прочих звуков, это воздействие может помочь в лечении многих болезней. Музыкальные терапевты высоко оценивают лечебный потенциал классической музыки, а также некоторой этнической музыки. И считают вредными для здоровья тяжёлый рок и ему подобные музыкальные направления: громкие низкочастотные звуки, жёсткие ритмы и монотонные повторения рока оказывают угнетающее действие на мозг и психику. Классическая же музыка, гармоничная и богатая высокочастотными звуками, даёт прилив жизненных сил и творческой энергии.

Разные инструменты дают разный терапевтический эффект: возможно, частоты-форманты разных инструментов «родственны» частотам тех или иных органов и систем. Так, согласно наблюдениям, звуки флейты помогают при заболеваниях бронхо-лёгочной системы (как и звуки саксофона, ксилофона, колокольчиков), кларнет хорош при сердечно-сосудистых проблемах, фортепиано и арфа успокаивают нервную систему, а барабаны оказывают оживляющее влияние.

Что лучше: играть самому или слушать? Оказывается, оба эти действия дают сравнимые результаты. Так, общеизвестно, что игра на духовых инструментах укрепляет дыхательную систему. Но и простое прослушивание музыки, исполняемой на этих инструментах, оказывает подобное действие! Почему? Да потому, что при слушании вы непроизвольно подстраиваете дыхание под ритм дыхания исполнителя, даже не сознавая этого, – подобно тому, как ваши связки беззвучно воспроизводят звуки речи, которые вы слышите. А слушая пение, мы тоже беззвучно поём. Большинство пианистов подпевают себе под нос, когда играют (на аудиозаписях Глена Гульда это хорошо слышно).

Абсолютно все специалисты сходятся во мнении об особой пользе вокала. Пение, как активное, так и беззвучное, улучшает кровоснабжение мозга, помогает наладить правильное дыхание, а также укрепляет сердечную мышцу. Когда человек поёт, во внутренних органах возникает вибрация – ведь при пении больше половины звуковой энергии идёт во внутренние органы, а не в окружающую среду. В результате улучшается кровоснабжение всех органов, снимаются застойные явления.

Сильное и прямое воздействие и на тело, и на эмоции оказывают ритмы. Определённые ритмы могут ускорять или тормозить обменные процессы, расслаблять или тонизировать мускулатуру. Поп-музыка «выезжает» во многом именно на простых ритмах (зачастую примитивных).

Весьма опасны могут быть синтезируемые на компьютерах ритмы с одинаковой частотой, звучащие на большой громкости. Жёсткая периодичность таких ритмов противоестественна – живые ритмы всегда «дышат». А низкие частоты, как мы уже поняли, могут вызвать нежелательные резонансы в организме.

Пётр Ильич Чайковский говорил о музыке Моцарта: «Слушая его музыку, я как будто совершаю хороший поступок» (в письме к Надежде Филаретовне фон Мекк от 11/23 января 1883 года). Целительна для духа, души и тела самая разная музыка – главное, чтобы она была хорошей.

Определённые сочетания звуков использовались во многих древних культурах для воздействия на психику и тело человека. И это понятно, ведь голос – самый совершенный и самый первый музыкальный инструмент, данный нам.

Санскритское слово «мантра» означает в буквальном переводе «инструмент мышления». Считают, что мантры появились более трёх тысяч лет назад. Для людей, практикующих йогу или медитацию, повторение мантр – это способ успокоения ума.

Основная мантра индуизма – «Ом» (произносится как АУМ на выдохе, на одной высоте, нараспев), с неё начинаются и ею заканчиваются все индуистские молитвы (можно провести аналогию с христианским «Аминь»), причём правильному произношению мантр индийских браминов учат годами.

Много книг написано об исцеляющей силе мантр. В сущности, это неспешное ритмичное пропевание звукосочетаний. Не только гласные, но и многие согласные звуки вызывают ощутимые вибрации в носо-рото-глоточном и грудном резонаторах, передающиеся и другим органам. Не говоря о психотерапевтическом действии мантр (вы же не просто их произносите – вы сосредотачиваете свои мысли на чём-то возвышенном), вибрации их звуков оказывают физическое воздействие. Вспомним о формантах гласных – повышенной силе вибраций на определённых, для каждого звука своих, частотах, не зависящих от высоты основного тона. Веками эмпирически подбирались сочетания звуков, наилучшим образом воздействующих на те или иные системы организма. Доверимся многовековой мудрости.

Наша слуховая система может воспринимать звуки в очень широком диапазоне интенсивностей, но всё же она лучше приспособлена для обработки звуков средней интенсивности. При длительном воздействии громких звуков у человека временно ухудшается слух – вспомним об усталости мышц среднего уха, отвечающих за амортизацию слишком интенсивных колебаний барабанной перепонки. Эффект ухудшения слуха начинает проявляться при уровне громкости более 75 дБ (шум на оживлённой улице) и может длиться до 16 часов. При длительном воздействии звуков с уровнем громкости более 90 дБ могут начаться необратимые изменения в слуховой системе, вплоть до полной глухоты. Степень повреждений пропорциональна времени воздействия громкого звука. При уровне громкости 90 дБ максимально допустимое время воздействия составляет 8 часов, 95 дБ – 4 часа, 100 дБ – 2 часа, 110 дБ – 30 минут (на танцевальной дискотеке вы, скорее всего, столкнётесь именно с таким уровнем громкости). При превышении допустимого временнóго предела полного восстановления слуха уже не происходит.

По европейским нормам, максимально допустимый уровень громкости для наушников плеера равен 100 дБ. Но некоторые наушники могут выдавать громкость до 110–120 дБ! При столь высоких уровнях громкости «усталость слуха» начинает проявлять себя уже через несколько минут, и тогда звук той же самой громкости кажется более тихим, и вы ещё больше увеличиваете громкость, ведь она опьяняет, подобно алкоголю и наркотикам. Между тем повреждается миелиновая оболочка слуховых нервов. В тишине она постепенно восстанавливается. А если отдыхать ушам не дают, постепенно развивается тугоухость, иногда в течение 5–10 лет. И вот вы уже плохо понимаете речь, потому что верхний частотный диапазон, в котором лежат форманты звуков, сильно занижен. Вот уже несколько десятилетий признаки «старения слуха» наблюдаются у более чем половины выпускников школ.

Каждый десятый любитель MP3-плееров имеет диагностированные нарушения слуха. Не злоупотребляйте громкостью и выбирайте полноразмерные наушники с шумоподавлением – они самые безопасные.

Чрезмерное усиление звука при помощи сверхмощной электронно-акустической аппаратуры стало настоящим бичом поп-культуры. Особую опасность представляют низкие звуки и инфразвуки, выдаваемые такой аппаратурой. Этим и опасны концерты рок-музыки, хэви-металл и им подобные: уровень громкости на них достигает 110–120 дБ.

Также установлено, что звуки высоких частот в диапазоне 1000–3000 Гц и интенсивности более 90 дБ вызывают значительное повреждение сенсорных клеток головного мозга.

Для детей и подростков предельно допустимая громкость звука – 70 дБ.

Естественные шумы звуков природы привычны и даже необходимы человеку, потому что абсолютная тишина угнетает психику. Другое дело – городские шумы: они стали важным фактором риска развития гипертонической болезни и ишемической болезни сердца. Техногенный шум увеличивает содержание в крови гормонов стресса.

Согласно санитарно-гигиеническим нормам, допустимый максимум шума для жилых помещений ночью – 45 дБ (шум кондиционера), но для разных спящих людей индивидуальный порог влияния шума варьируется от 30 до 60 дБ. Так, шум кондиционера кому-то уже может обеспечить бессонницу. Если шумовой фон по ночам достигает 50 дБ (шум вытяжного вентилятора) и более, возрастает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Дневная норма громкости для жилых помещений – не более 55 дБ. Работающий телевизор на средней громкости обеспечивает вам 60 дБ, а если вы открыли окна, выходящие на улицу с интенсивным движением, то шум будет ещё больше. Постоянное действие шума более 80 дБ нарушает секреторную и моторную функции желудка и может привести к гастриту.

Замечали, как поездки в метро (особенно в старых вагонах) утомляют слух? При торможении поезда грохот в вагоне может достигать 110 дБ. Но опасен для здоровья только длительный шумовой фон. Звуки фена и пылесоса, хотя и громкие (до 75 дБ), угрозы здоровью не несут.

В инструкциях к приборам или на сайтах вы можете встретить другую единицу измерения уровня громкости: не дБ (децибел), а дБа (акустический децибел). Разница между ними в том, что уровень громкости в дБ не учитывает различную чувствительность уха к разным частотам, а оценка громкости в дБа это различие принимает в расчёт. Санитарно-гигиеническое нормы даются именно в дБа. Если сигнал по частоте приближается к границам звукового диапазона, его уровни громкости по шкале дБ и дБа будут сильно отличаться. Так, для инфразвука акустическая (слышимая) громкость становится равной нулю даже при значительной объективной громкости в дБ, поэтому уровни громкости инфразвука указывают только в дБ.

Немецкий врач-гигиенист Роберт Кох в своё время предсказывал: «Когда-нибудь человечество будет расправляться с шумом столь же решительно, как оно расправляется с холерой и чумой». Но пока что более половины населения Европы проживает в районах с уровнем шума 60–65 дБ, и этот уровень продолжает увеличиваться. Вред от шумового загрязнения стал сравнимым с вредом от курения (а по некоторым оценкам, шум сокращает жизнь даже больше, чем курение).

Если у вас в комнате включены сразу два прибора, создающие шум по 40 дБ каждый, не переживайте: общий уровень громкости будет не 80 дБ, а всего 43. Ведь возрастание интенсивности звука в 2 раза соответствует увеличению уровня громкости примерно на 3 дБ, ведь ухо «логарифмирует» звуковой сигнал. Как всё же мудро устроен наш слух!

Часть 2. Что нам светит

Весь мир и мы сами пронизаны электромагнитными полями, и свет – одна из их разновидностей, и можно смело сказать: важнейшая для нас! По разным оценкам, от 60 до 90 % информации мы получаем через зрительный канал, и освещение – это то, что позволяет нам это делать. Но если на протяжении веков освещение было исключительно естественным, то вот уже более ста лет оно всё более вытесняется искусственным. Согласитесь: очень важно понимать, «что нам светит», какие источники света лучше выбирать для тех или иных целей и как они могут повлиять на зрение, самочувствие и здоровье. Разговор снова будет касаться как физики, так и физиологии.

Глава 1
Свет и цвет: физика и физиология

Этот вопрос рано или поздно возникает у каждого ребёнка, и ответ на него искали философы и учёные на протяжении многих столетий. К началу XX века мы получили наконец научно обоснованный ответ на этот вопрос.

Свет – это довольно узкий диапазон электромагнитных волн (что такое электромагнитные волны, мы чуть ниже обсудим). Длины световых волн очень малы – меньше размеров пылинок, поэтому их измеряют в нанометрах, то есть в миллиардных долях метра. Итак, для видимого света длины волн находятся в диапазоне примерно от 400 до 750 нанометров (сокращённо нм). По своим физическим характеристикам волны светового диапазона ничем принципиально не отличаются от волн соседних участков электромагнитного спектра. Самые короткие световые волны (менее 480 нм) соответствуют фиолетовому свету, самые длинные (более 620 нм) – красному. Только представьте: в одном миллиметре укладывается 2500 длин волн фиолетового света или 1300 длин волн красного.

Столь малые длины волн долго «скрывали» от учёных волновые свойства света, не позволяя заметить типичные для волн любой природы явления интерференции (когда при наложении волн одинаковой частоты в одних точках пространства они гасят друг друга, а в других – усиливают) и дифракции (способности волн огибать преграды и попадать в область геометрической тени).

Когда вы любуетесь радужной окраской мыльных пузырей или цветными переливами бензиновых плёнок на воде, вы наблюдаете явление интерференции света: в зависимости от переменчивой толщины плёнки где-то произошло усиление голубых световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей плёнки и наложенных друг на друга, а где-то – красных… а когда вы видите «радугу» на компакт-диске, поднесённом к лампе, вы встречаетесь с явлением дифракции.

Во второй половине XVII века Ньютон экспериментально доказал, что белый свет состоит из набора чистых цветов: от красного до фиолетового. Он раскладывал белый свет в цветную радужную полоску (спектр) с помощью призмы и соединял затем все цвета обратно в белый свет. Вы наверняка видели, как солнечный свет, пройдя сквозь гранёный стакан на столе или призматическую подвеску люстры, рождает радужные полоски на столе или на стене – это и есть разложение белого света в спектр. Если выделить из спектра белого света одноцветный пучок (например, с помощью щели), то никаких дальнейших превращений его цвета при прохождении через оптические системы уже не происходит. Такой спектрально чистый цвет называют монохроматическим (то есть «одноцветным»).

Ньютон полагал, что свет – это скорее частицы (корпускулы), нежели волны. Но в первой половине XIX века Юнг, Френель и другие физики убедительно продемонстрировали волновые свойства света – интерференцию и дифракцию. К концу XIX века, благодаря теории электромагнитных полей Максвелла и экспериментам Генриха Герца, была доказана электромагнитная природа световых волн и измерена их скорость: 300 тысяч км в секунду (в пустоте). Однако в начале XX века выяснилось, что Ньютон не так уж и заблуждался: в некоторых явлениях свет ведёт себя именно как поток неделимых частиц. Их назвали фотонами.

Наиболее явно корпускулярные свойства света проявляются в явлении фотоэффекта – выбивания светом электронов с поверхности металлов. При освещении полупроводников наблюдается внутренний фотоэффект: фотоны отрывают электроны от атомов, но освобожденные электроны не покидают полупроводник, который благодаря им получает способность хорошо проводить ток. Внутренний фотоэффект лежит в основе работы солнечных батарей.

Такое двойственное поведение света – и как волн, и как частиц – поставило физиков в тупик. В итоге они смирились с таким странным поведением света и назвали это корпускулярно-волновым дуализмом (хотя до сих пор мы не можем наглядно объяснить такое свойство). Оказалось, что в этом смысле фотоны ничем не отличаются от других объектов микромира, которые тоже в каких-то явлениях ведут себя как волны, а в других – как частицы.

Электромагнитные волны, видимые или невидимые, непрерывно излучаются абсолютно всеми телами: живыми и неживыми, твёрдыми, жидкими и газообразными, холодными и горячими. Речь идёт о так называемом тепловом излучении – самом универсальном, можно сказать, вездесущем виде излучений. Если тело нагрето менее чем до 500 °C (примерно), то его тепловое излучение невидимо для нас. Но мы можем ощущать его кожей как тепло, если источник теплее нас самих. Длины волн такого излучения превышают 750 нм, то есть лежат в инфракрасном диапазоне. Действие тепловизоров (приборов ночного видения) основано на регистрации теплового излучения живых объектов, которые теплее окружающей среды.

Электромагнитные излучения, примыкающие к красному концу видимого спектра и имеющие длины волн от 750 нм до примерно 2 мм, называют инфракрасным излучением.

Мощность теплового излучения быстро возрастает с ростом температуры тела, а длины волн этого излучения становятся всё короче и короче. Телá, температура которых меньше 500 °C, излучают только в инфракрасном диапазоне. При более высоких температурах тепловое излучение частично «пробирается» и в красную часть видимого диапазона, а при 2000 °C свечение тела уже кажется нам жёлто-белым (но инфракрасного излучения оно испускает всё же гораздо больше, чем видимого). Солнце, температура поверхности которого около 6000 градусов, излучает во всех диапазонах, но преимущественно в видимом (на него приходится почти половина всей излучаемой энергии). Примерный вид спектра солнечного света изображён на рисунке 11.

Помимо инфракрасного и видимого света, Солнце испускает также волны, длина которых меньше 400 нм – это невидимое ультрафиолетовое излучение. Чем горячее звезда, тем больше ультрафиолета она выдаёт. Максимум излучения звёзд с температурой поверхности более 8000 градусов приходится именно на ультрафиолетовую область спектра.

Электромагнитные излучения, примыкающие к фиолетовому концу видимого спектра и имеющие длины волн от 400 нм до примерно 10 нм, называют ультрафиолетовым излучением.

Рис. 11. Зависимость интенсивности теплового излучения от длины волны. Площадь под графиком соответствует полной мощности излучения, заштрихованная часть – мощности излучения в видимом диапазоне

Естественные источники света, к которым приспосабливалась наша зрительная система за миллионы лет эволюции, – это солнечный свет и голубой свет неба днём, лунный свет и свет костра в тёмное время суток. Ввиду их особой важности для нас давайте познакомимся с ними поближе.