Текст книги "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга третья"

Гонки по железу

Мы сказали, что скорость звука всегда одинаковая? Придется взять свои слова обратно и кое-что уточнить. С какой скоростью звук будет распространяться, зависит от того, где это происходит, от среды, как говорят ученые. Если среда – воздух, то звук распространяется со скоростью примерно 340 метров в секунду. 340 метров в секунду – это примерно в три раза быстрее, чем болид «Формулы-1». Но чем холоднее воздух, тем медленнее распространяется звук: при нуле градусов его скорость будет только 331 метр в секунду. В воде звуковые волны расходятся гораздо быстрее, чем в воздухе, – со скоростью 1480 метров в секунду. А еще быстрее они проходят по металлическому стержню – до 5800 метров в секунду.

Почему так? Чтобы это понять, нам придется еще немного погрузиться в физику и заняться молекулами. То, что скорость звука зависит от среды и даже от ее температуры, связано с тем, что звуковые волны передаются через молекулы, эти очень мелкие частицы всех твердых, жидких и газообразных веществ. Молекулы настолько малы, что их нельзя разглядеть даже в обычный микроскоп. И все-таки воздух, так же как вода и все остальные вещества на Земле, состоит из молекул. Это трудно представить, потому что мы не можем увидеть молекулы в воздухе. Нам кажется, что в воздухе ничего нет. Но надувая, например, матрас, можно легко понять, что в воздухе должно что-то быть, ведь иначе мы остались бы лежать на твердом полу.

ПЛОТНЫЙ ВОЗДУХ В СТАКАНЕ

То, что воздух не пустой, а полон молекул, можно установить с помощью простого эксперимента. Надо засунуть в стакан скомканный бумажный носовой платок так, чтобы он не выпадал, и опустить стакан отверстием вниз в миску с водой. Когда мы вынем стакан из воды, окажется, что платок остался сухим. Вода не могла заполнить весь стакан, потому что в нем был воздух.

В воздухе, состоящем из газов, молекулы расположены не так плотно друг к другу, как в твердых веществах или в жидкостях, и именно поэтому звук распространяется в воздухе медленнее, чем, например, в железе или в воде. Кроме того, скорость звука зависит не только от плотности молекул, но и от их подвижности, которая, в свою очередь, зависит от температуры (ты ведь еще помнишь, что чем холоднее воздух, тем медленнее в нем распространяется звук?). В безвоздушном пространстве, в вакууме, звуковые волны вообще не распространяются. В вакууме не бывает никаких звуков, и матрасы там надувать нечем.

Никаких шумов, хотя при этом колебания есть? Это опять какая-то странная история, которую надо изучить повнимательнее. Ученого, который первым обнаружил тишину в безвоздушном пространстве, звали Роберт Бойль. Было это в XVII веке. Бойль поставил колокольчик в банку, откачал из нее воздух и ударил в колокол. Ничего не было слышно, из банки не донеслось ни единого звука. Ученому от этого наверняка стало не по себе. Ведь он, как и мы, привык к тому, что колокола звонят, когда в них бьют, и, видимо, был бы не против, чтобы так было и дальше. Но, к сожалению, колокол не сделал ему такого одолжения, и поэтому сейчас нам нужно набраться храбрости и свыкнуться с мыслью, что в масштабах Вселенной наличие звуков – скорее исключение. В космосе, так как там нет ни капельки воздуха, царит абсолютная и вечная тишина, которую не в силах поколебать даже сильнейшие взрывы. Неважно, взрывается ли какое-нибудь солнце или Люк Скайуокер уничтожает Звезду Смерти, – пассажиры пролетающего мимо космического корабля ничего не услышат. Космос всегда молчит.

ПОДВИЖНЫЕ КОШАЧЬИ УШИ

Есть люди, которые умеют шевелить ушами, чем все вокруг восторгаются. Но даже самый лучший мастер шевеления ушами не сравнится с простой кошкой. Более 20 мускулов помогают ей поворачивать уши практически в любом направлении.

Большой взрыв был бесшумен?

Самый большой взрыв за всю историю Вселенной тоже был абсолютно бесшумен. И это при том, что Большой взрыв, с которого началась наша Вселенная, мог бы стать самым громким звуком всех времен. Все-таки тогда в одно мгновение высвободилась вся космическая энергия. Но на самом деле Большой взрыв произошел совершенно бесшумно, потому что тогда еще не существовало ничего, в чем могли бы распространиться звуковые волны, не существовало еще ни одной молекулы.

К счастью, на Земле по части звуков всегда все в порядке. Но и тут неизвестно, что было самым громким событием в ее истории. Извержения вулканов на ранних этапах развития планеты? Падение метеорита 65 миллионов лет назад? Или, может, концерты группы AC / DC? Конечно, в хит-параде самых громких звуков AC / DC имели бы неплохие шансы, но запуски ракет, взрывы бомб и извержения вулканов точно бы их обогнали, потому что в таких ситуациях гораздо больше энергии преобразуется в звук. А много энергии – это значит, что воздух особенно сильно сжимается от колебаний, и что волны, которые распространяются во все стороны, гораздо больше. А значит, и громкость получается больше. Громкость звука измеряется в децибелах. При падении булавки звук будет примерно 10 децибел, при тихом разговоре – около 60 децибел, на рок-концерте звук может достигать 110 децибел, громкость реактивного двигателя – до 150 децибел.

Но и здесь нам, к сожалению, снова придется сделать оговорку, потому что то, что мы «слышим», опять не соответствует тому, что на самом деле происходит. Для человеческого уха гораздо важнее, какую высоту имеет звук и как далеко находится его источник. Особенно громкими нам кажутся звуки средней высоты и шумы, источник которых находится рядом. Музыка в наушниках из плеера для нашего уха может быть громче, чем пуск ракеты на расстоянии пяти километров. Так происходит потому, что звуковые волны, распространяясь, постепенно затухают. Это как если кинуть камень в озеро: до берега дойдут самые маленькие волны.

Волны в море бывают очень высокими. Морские волки говорят, что видели волны высотой в сто метров, но это, наверное, все-таки преувеличение: такой силы даже у самого ужасного урагана быть не может. А как обстоит дело со звуковыми волнами? Могут ли они становиться сколь угодно огромными? Есть ли какой-то предел для звука? На этот вопрос, который наверняка задавал себе не один живущий по соседству с аэропортом человек, вконец измученный шумом, мы можем ответить успокоительным «да». Предел существует. Во-первых, нельзя бесконечно сжимать молекулы воздуха. Во-вторых, не существует материала, который может неограниченно сильно колебаться. А в-третьих, у энергии тоже есть свой предел. Говорят, удавалось зафиксировать звуки громкостью чуть более 200 децибел. Но больше не получится ни у кого на Земле, хоть люди пробуют снова и снова – например, школьники, когда их отпускают с последнего урока перед каникулами.

Почему людям не обязательно уметь шевелить ушами?

Мы уже много узнали о звуке и звуковых волнах, но еще не разобрались, почему некоторые частоты мы слышим, а некоторые – нет. Это, очевидно, связано с аппаратом, с помощью которого звуковые волны улавливаются из воздуха, – то есть с ухом. В общем-то, для того чтобы ловить звуковые волны, нужно не так много. Достаточно тонкой эластичной перепонки – мембраны, которая может вибрировать. Она подхватывает входящие звуковые волны, как батут прыгуна, и потом колеблется в том же ритме, что и источник звука. Если к такой мембране прикрепить еще пару нервных клеток, которые будут передавать эти колебания в виде электрического сигнала в мозг, – ухо, в общем, будет готово.

СЛЫШАТЬ ПОД ВОДОЙ

Говорят, что киты могут общаться под водой даже через океаны. В этом уверяют исследователи. Правда, китам приходится мириться с тем, что их сигналам нужно несколько часов, чтобы достигнуть другого конца Земли. А вот дельфины поболтать любят и болтают много – запас «слов» у них довольно большой.

Действительно, любое ухо работает примерно так. У всех животных, которые слышат, есть одна или несколько мембран, которые реагируют на звуковые волны. У кузнечиков мембраны находятся на ногах, у рыб они внутри тела. Природа за миллионы лет много чего выдумала, чтобы сделать слух более острым. В человеческом ухе находится сразу шесть перепонок, и они все вибрируют, когда до них доходят звуковые волны, а кроме перепонок – еще три косточки, которые тоже совершают колебательные движения. Благодаря такому сложному аппарату мозг получает возможность собрать как можно больше полезной информации из всех поступающих звуковых волн. У человека этот аппарат находится в двух расположенных друг за другом полостях – полости среднего уха и полости внутреннего уха. С внешним миром их соединяет слуховой проход. Снаружи находятся ушные раковины.

ПАЛОЧКИ, ПРОЧЬ ОТ СЕРЫ!

В передней части слухового прохода постоянно находится одна странная субстанция – ушная сера. Она нужна для того, чтобы крошечные отмершие клетки кожи могли попадать изнутри прохода наружу. Ушная сера как смазка помогает вынести эти старые клетки наружу – это ее функция. Поэтому мамам не стоит выскребать серу ватными палочками. А детям, которым часто чистят уши, лишая их ушной серы, стоит пойти к родителям с этой книжкой в руках и предупредить их, что так поступать не стоит.

По сравнению с ухом собаки, кошки или африканского слона ушные раковины человека на первый взгляд не особенно впечатляют. Большинство из нас даже не умеют ими шевелить. А ведь большие подвижные уши – вещь очень практичная, потому что благодаря им можно прицельно принимать звуковые волны и направлять их в слуховой проход. Так, кошки могут услышать, как мышь пробегает на расстоянии десяти метров. И при этом они точно определяют, где именно эта мышь находится.

К счастью, людям не настолько важно знать точное местонахождение всех мышей в округе. Поэтому подвижные уши нам не так уж и нужны. Но и у ушной раковины человека есть важная функция. Ее причудливые изгибы отражают звуки, идущие с разных сторон, в среднее и внутреннее ухо. И так как звук, идущий сверху, отражается немного по-другому, чем тот, что идет снизу, мозг может вычислить направление, откуда исходит звук. Впрочем, эта система локации работает не идеально, в чем каждый может удостовериться, проведя тест с закрытыми глазами. Различить, идет звук сверху или снизу, не так уж просто, да и распознать, сзади или спереди источник звука, – тоже.

БАРАБАННАЯ ПЕРЕПОНКА

От сильного шума или резкого удара по уху барабанная перепонка может лопнуть или порваться. Тогда поврежденное ухо сразу начинает слышать гораздо хуже. Но врачи могут барабанную перепонку залатать. В этом случае делают разрез за ушной раковиной, берут тонкую пленку с одного из мускулов тела и закрывают ей поврежденную перепонку. А совсем маленькая дырочка в барабанной перепонке, если не оторваны кусочки кожи, может и сама зарасти.

Гораздо легче понять, идет звук слева или справа. Здесь мозг, ориентируясь на небольшое запаздывание, с которым сигнал приходит в ухо, расположенное дальше от источника шума, может вычислить, где он находится. И чем выше частота звука, тем лучше работает эта система локации. Действительно, где кричит маленькая сестренка, понятно сразу, а вот где именно говорит папа своим густым басом, определить не так уж легко. Определить источник басов почти невозможно. Поэтому в современных стереосистемах для басов есть специальная колонка, сабвуфер, которую можно располагать в любой части гостиной.

ВОСПАЛЕНИЕ СРЕДНЕГО УХА

Через трубочку, которая соединяет среднее ухо с носом, иногда в ухо могут попадать бактерии. В среднем ухе они размножаются до тех пор, пока организм не мобилизует защитные клетки иммунной системы. В процессе борьбы бактерий против клеток – защитников организма образуется гной, который начинает изнутри давить на барабанную перепонку. Это очень больно. Воспаления среднего уха чаще всего проходят сами, но иногда врачу приходится лечить их каплями и антибиотиками.

Главное – мембрана

К внешнему уху, помимо ушной раковины, относится и слуховой проход, хотя он расположен вовсе не снаружи. Он немного изогнут и как раз подходящего размера, чтобы ковырять в нем мизинцем. В слуховом проходе звуковые волны усиливаются, как крики в тоннеле. Так что в конце прохода они с разбегу обрушиваются на первую мембрану, барабанную перепонку. Эта мембрана, толщиной меньше десятой доли миллиметра, закрывает слуховой проход и принимает идущие из воздуха звуковые волны.

Но барабанная перепонка еще далеко не главная мембрана (та, которая с нервными клетками). Барабанная перепонка передает колебания на небольшую систему из трех косточек, которые называются молоточек, наковальня и стремя. Это самые маленькие косточки в нашем теле. Они соединены друг с другом и расположены в барабанной полости среднего уха. Система косточек принимает колебания барабанной перепонки, усиливает их и передает на следующую мембрану. Усиление необходимо, потому что иначе звуковые волны попросту не доходили бы до внутреннего уха.

Все дело в том, что во внутреннем ухе звуку приходится сменить «транспорт». Он путешествовал по воздуху сначала по слуховому проходу, потом через систему косточек в среднем ухе. Но дальше звуковым волнам приходится добираться вплавь: внутреннее ухо заполнено жидкостью. Кому доводилось нырять в бассейне или аквапарке, знает, что, стоит оказаться под водой, детские крики и визги с горки моментально затихают. Звуковые волны из воздуха отражаются от поверхности воды, они практически не могут преодолеть границу двух сред. Поэтому, чтобы донести до нас звуки, косточки среднего уха должны сильно ударять по следующей мембране, которая отделяет заполненное жидкостью внутреннее ухо от среднего.

Путь рыка

Внутреннее ухо – центр нашего органа слуха. Здесь колебания мембран преобразуются в электрическую энергию – в сигналы, которые по нервам передаются в мозг. Строение внутреннего уха было изучено не так давно. Еще двести лет назад ученые знали внешнее и среднее ухо, но о центре системы слуха понятия не имели. Дело в том, что внутреннее ухо очень надежно спрятано в маленькой костяной полости. К тому же оно слишком мало для инструментов, которыми пользовались ученые в прошлом. Размером внутреннее ухо примерно с горошину и вдобавок скручено как улитка.

АЛЬФОНСО КОРТИ

Открыватель внутреннего уха свои важнейшие исследования проводил в университете Вюрцбурга. Там он работал вместе с известным врачом Рудольфом Вирховом. В 1851 году Корти удалось с помощью микроскопа новой конструкции и уверенных движений рук вскрыть внутренние уши собак и кошек и изучить их. Позже его зарисовки вдохновляли ученых по всему миру на новые исследования.

Первым рисунки внутреннего уха выполнил итальянский ученый, граф Альфонсо Корти. Он обнаружил, что помимо барабанной перепонки и мембраны между средним и внутренним ухом существует еще одна мембрана, самая важная из всех, потому что на ней расположены нервные клетки. Эта мембрана внутреннего уха находится в трубке, закрученной спиралью как улитка (поэтому этот орган так и называется) и наполненной жидкостью. Эта трубка расположена не поперек направления волн, как другие мембраны, а вдоль. Так что звуковые волны не ударяют по мембране улитки, а прокатываются по ней одна за другой.

Давайте рассмотрим на примере, как мембрана внутреннего уха передает звуковые волны в мозг. Представим мальчика, который совершенно спокойно читает комикс. Сзади к нему подкрадывается старший брат, который тоже хочет почитать этот журнал, и издает такой звук: «Гр-р-р!» Он всегда так рычит, когда хочет рассердить младшего. Этот звук волной распространяется по воздуху, попадает в слуховой проход младшего брата, заставляет его барабанную перепонку колебаться, усиливается системой косточек среднего уха и попадает во внутреннее.

КАК СЛЫШАТ ЖИВОТНЫЕ

У насекомых мембрана, которая принимает звуковые волны, далеко не всегда находится на голове. Например, кузнечики и цикады слышат ногами или брюшком, а мошки – кончиками усиков-антенн. У рыб ушей нет, но они улавливают звук мембраной, которая расположена в заполненной жидкостью трубке. Млекопитающие слышат примерно так же, как мы.

Чтобы мозг младшего брата понял, кто там рычит, это самое «Гр-р-р!» должно быть проанализировано во внутреннем ухе. За это и отвечают специальные нервные клетки. Таких рецепторных[3]3
  От лат. recipere – получать. – Примеч. ред.


[Закрыть] клеток в каждом нашем ухе по 30 тысяч. Они плотно покрывают мембрану в улитке и передают в мозг все частоты, из которых состоит звук. Эти слуховые клетки – настоящие герои слуха.

Когда рык доходит до внутреннего уха, сначала он приводит в движение жидкость, в которой расположена мембрана с рецепторными клетками. Жидкость передает колебания на мембрану, они проходят вдоль нее и заставляют ее изогнуться. При этом рецепторные клетки приподнимаются и касаются еще одной мембраны – покровной. Тоненькие волоски на конце рецепторных клеток, касаясь покровной мембраны, сгибаются и натягиваются, и это позволяет открыть крошечные каналы в клетках. Через эти каналы электрически заряженные частицы из жидкости устремляются внутрь клеток и активируют их – примерно так, как выключатель включает свет. Рецепторные клетки теперь могут передать свое сообщение по нервным путям в мозг.

РЕЦЕПТОРНЫЕ КЛЕТКИ

Рецепторные клетки нашего внутреннего уха совсем крошечные. Их тридцать тысяч, но все они могли бы уместиться на булавочной головке. К сожалению, еще они очень чувствительны. Только с помощью современных электронных микроскопов исследователи могут их точно разглядеть и с ними работать.

Для того чтобы мозг получил максимально точную информацию, некоторые рецепторные клетки начинают еще сами растягиваться и сжиматься, чтобы усилить действие колебаний в мембране. Как прыгуны с вышки раскачиваются на эластичной доске, так рецепторные клетки вытягиваются на своей мембране. Это даже можно наблюдать. Если смотреть в микроскоп с большим разрешением, то выглядит это, как будто рецепторные клетки танцуют.

С помощью этого танца рецепторные клетки дают мозгу дополнительную информацию о высоте звука. Вообще мембрана в улитке устроена очень хитро. Когда при высоких частотах приходит много волн одна за другой, она выгибается в передней области, где находятся рецепторные клетки, которые отвечают за высокие тона. А если она искривляется в задней части, активизируются прежде всего те клетки, которые могут передать в мозг сигнал для низких звуков. А танец рецепторных клеток делает выгиб в некоторых местах еще выраженнее, и клетки, которые там расположены, могут активизироваться еще прицельнее. Эти выраженные изгибы позволяют мозгу очень точно установить, какие частоты задействованы, когда поблизости раздается рычание.

Теперь соответствующие рецепторные клетки передают сигналы в мозг читающего комикс мальчика. Сразу после того, как были отправлены в мозг первые «Гр-р-р!» – сигналы из правого уха, информацию о звуке передает и левое ухо. Теперь мозг может сконструировать из электрических сигналов звук, на который маленький мальчик сможет отреагировать. Мозг молниеносно анализирует частоту и громкость, вычисляет расстояние до источника звука и его местонахождение. Кроме того, мозг сравнивает только что полученную информацию о звуке «Гр-р-р!» с сохраненной информацией о других подобных звуках и наконец сообщает мальчику с комиксом в руках следующее: приближается человек под названием «старший брат», который охотится на комикс и хочет тебя напугать. Не двигайся, держи журнал крепко и подумай, за какую руку ты в случае необходимости укусишь врага.

АБСОЛЮТНЫЙ СЛУХ

Уши натренировать нельзя, а вот мозг – можно. Люди с абсолютным слухом различают в музыке каждый звук и моментально понимают, если пианист где-то сфальшивит. Долгое время полагали, что такие люди слышат лучше других, но сейчас исходят из того, что абсолютный слух – в мозгу и ему можно научиться. Этому научаются многие музыканты, а еще дети, которые до семи лет интенсивно тренируются различать звуки. Ученые даже нашли область мозга, которая особенно активизируется при различении звуков.

Рецепторные клетки удивительно выносливы. Их не нужно и невозможно никак тренировать, но при этом они работают всю жизнь человека. Африканские аборигены, которых в течение жизни не мучил ни шум транспорта, ни громкая музыка, ни грохот фабрик, даже в старости слышат не хуже, чем молодые люди. Но, к сожалению, на Земле практически не осталось мест, надолго защищенных от шума. И поэтому ухудшение слуха у пожилых людей стало обычным делом.

ПОРАЖЕНИЯ СЛУХА

Рецепторные клетки очень чувствительны. От сильных волн они повреждаются и больше не отрастают. Даже посещение дискотеки, где невозможно нормально разговаривать, вредит рецепторным клеткам. Также очень опасны хлопушки и петарды, потому что они создают громкие хлопки мгновенно и так обходят природную систему защиты слуха. Этой защитной системе, чтобы настроиться на большую громкость, нужно три миллисекунды.