Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

На публичных лекциях, которые я читаю маленьким детям, я обычно приглашаю малышей самих водить смычком по краю пластины – они просто обожают создавать красивые и загадочные узоры. Именно такие чувства к физике я стремлюсь пробудить во всех своих учениках.

Музыка ветров

Однако мы с вами забыли о доброй половине оркестра! Как насчет флейты, гобоя или тромбона? Конечно, у этих инструментов нет ни вибрирующих струн, ни дек, на которые проецируется звук. Но духовые инструменты невероятно древние – недавно я видел в газете фотографию вырезанной из кости грифа флейты, возраст которой 35 тысяч лет, – и немного более загадочные, чем струнные, отчасти потому, что их механизм невидим.

Существуют различные виды духовых инструментов. Одни, такие как свирель и блок-флейта (старинный вариант флейты), открыты с обоих концов, другие, как кларнет, гобой и тромбон, закрыты с одного конца (хотя в них и есть отверстие, в которое дует музыкант). Но все они создают музыку, когда вдуваемый ртом воздух порождает вибрацию воздушного столба внутри инструмента.

Когда вы дуете или нагнетаете воздух внутрь духового инструмента, это, по сути, то же самое, как когда вы пощипываете гитарные струны или проводите смычком по струнам скрипки. Придавая энергию столбу воздуха, вы сбрасываете в эту воздушную полость весь спектр частот, а столб воздуха сам выбирает частоту, с которой он хочет резонировать, главным образом в зависимости от длины. Хотя это довольно трудно себе представить (но относительно несложно рассчитать), столб воздуха внутри прибора выбирает свою основную частоту и некоторые из более высоких гармоник и начинает вибрировать на них, после чего выталкивает и втягивает воздух, практически так же, как вибрируют зубцы камертона, посылая звуковые волны в сторону ушей слушателей.

В случае с гобоем, кларнетом и саксофоном вы дуете в так называемую трость, которая передает энергию столба воздуха и заставляет его резонировать. Играя на флейте и блок-флейте, музыкант дует в отверстие или через дульце, создающее резонанс. А при игре на медных духовых инструментах вы должны плотно сжать губы и издать в инструмент вибрирующий звук, и если вы этому не учились, то у вас, скорее всего, ничего не получится. Я, например, однажды попробовав сделать это, в итоге только наплевал в трубу!

Если инструмент открыт с обоих концов, как, например, флейта, столб воздуха может вибрировать на своих гармониках, каждая из которых кратна основной частоте, – точно также, как в случае со струнами. Что касается деревянных духовых инструментов, закрытых с одного конца и открытых с другого, то тут все зависит от формы отверстия. Если оно имеет форму конуса, как у гобоя или саксофона, инструмент будет генерировать все гармоники, подобно флейте. Но если оно цилиндрическое, как, скажем, у кларнета, столб воздуха будет резонировать только на нечетных, кратных основной частоте: три, пять, семь и так далее. По довольно трудно объяснимым причинам все медные духовые инструменты резонируют на всех гармониках, как флейта.

Гораздо понятнее, хотя и на чисто интуитивном уровне, что чем длиннее столб воздуха, тем ниже частота (и высота) производимого инструментом звука. При уменьшении длины трубы в два раза частота первой гармоники удваивается. Вот почему маленькая флейта-пикколо выдает высокие ноты, а фагот – низкие. Этим общим принципом также объясняется, почему орган состоит из огромного диапазона трубок разной длины – некоторые органы могут издавать звуки в целых девяти октавах. Чтобы произвести основную частоту около 8,7 герца, которая вообще-то даже ниже того, что воспринимает человеческое ухо, хотя мы и можем чувствовать вибрацию, требуется огромная труба длиной 19,5 метра, открытая с обеих сторон. В мире всего две такие огромные органные трубы, уж очень они непрактичны. Труба в десять раз короче вырабатывает основную частоту в десять раз выше, то есть 87 герц; а труба в сто раз короче – около 870 герц.

Музыканты, играющие на духовых инструментах, не просто дуют в них. Они также открывают или закрывают отверстия, которые служат для эффективного сокращения или удлинения столба воздуха, тем самым повышая либо понижая частоту генерируемого инструментом звука. Вот почему, когда дуешь в игрушечную дудочку, самые низкие тона получаются, если заткнуть все отверстия, удлинив в результате столб воздуха. Тот же принцип используется и в медных духовых инструментах. Чем длиннее столб воздуха, даже если он должен идти по кругу, тем ниже звук. Самый низкий звук издает труба длиной около 5,5 метра, известная как труба си-бемоль, с основной частотой около 30 герц; дополнительные, так называемые поворотные, клапаны позволяют понижать тон до 20 герц. Клапаны на трубе открывают или закрывают дополнительные трубки, изменяя высоту резонансных частот. Наиболее прост для визуального понимания тромбон. Сдвигая подвижную часть этого инструмента, называемую кулисой, музыкант увеличивает длину столба воздуха, понижая его резонансные частоты.

Я играю на лекции простенькую мелодию на деревянном слайд-тромбоне, и студентам моя игра очень нравится – я же не говорю им, что это единственная мелодия, которую я умею играть. На самом деле я настолько безнадежен как музыкант, что хоть и читал эту лекцию много-много раз, перед ней непременно репетирую музыкальный номер. Я даже сделал специальные пометки на кулисе тромбона – по сути, ноты, – обозначенные номерами 1, 2, 3 и так далее, ведь я даже не научился читать с нотного листа. Но, как я уже говорил, полное отсутствие музыкальных талантов вовсе не мешает мне высоко ценить красоту музыки и получать огромное удовольствие от экспериментов со звуками.

На момент написания этих строк я развлекаюсь, экспериментируя со столбом воздуха внутри литровой пластиковой бутылки с газировкой. Это отнюдь не идеальный столб, ибо узкое горлышко бутылки постепенно расширяется до ее полного диаметра. Поэтому физика горлышка, как вы можете себе представить, очень сложна. Однако основной принцип духовой музыки – чем длиннее столб воздуха, тем ниже резонансные частоты – по-прежнему сохраняется. Вы можете тоже попробовать провести этот эксперимент.

Заполните бутылку из-под содовой или вина водой почти до верха и подуйте в горлышко. Это потребует некоторой практики, но довольно скоро вы наверняка «нащупаете» столб воздуха, вибрирующий на своих резонансных частотах. Сначала звук будет высокий, но чем больше вы отпиваете из бутылки (теперь понимаете, почему я настаивал на воде?), тем больше становится столб воздуха, а высота тона снижается. Я также обнаружил, что чем длиннее столб воздуха, тем звук приятнее. Чем ниже частота первой гармоники, тем выше вероятность того, что я буду генерировать дополнительные гармоники на более высоких частотах и звук будет иметь более сложный и интересный тембр.

Вам может показаться, что этот звук, вибрируя, издает бутылка, точно так же как струна, и вы на самом деле почувствуете, что бутылка вибрирует – именно так, как вибрировал бы саксофон, если бы вы держали его в руках и дули в него. Но резонирует воздушный столб внутри бутылки. Чтобы лучше в этом разобраться, попробуйте разгадать следующую загадку. Если взять два одинаковых бокала, один пустой, а второй наполовину полный, и возбудить в обоих первые гармоники, легонько постучав по бокалам ложкой или потерев обод мокрым пальцем, частота какого будет выше и почему? Признаться, с моей стороны формулировать вопрос таким образом не совсем корректно, поскольку в нем я даю установку на неправильный ответ, но уж извините! Надеюсь, вы справитесь с этим.

Тот же принцип применяется и в забавных игрушках – двадцатисантиметровых гибких гофрированных пластиковых цветных трубках. Вы наверняка их видели или играли с ними. Помните, как они работают? Начав крутить такую трубу над головой, сначала слышишь низкочастотный тон. Конечно, вы ожидаете, что это будет первая гармоника, как сделал и я, когда впервые играл с такой игрушкой. А между тем у меня почему-то так ни разу и не получилось возбудить первую гармонику. Я всегда сразу слышу вторую. А раскрутив трубку быстрее, переходишь на все более и более высокие гармоники. В рекламе игрушки в интернете утверждается, что из трубки можно получить четыре тона, хотя на самом деле только три – четвертый тон, то есть пятая гармоника, очевидно, предполагает действительно уж очень быстрое кручение. Я подсчитал частоты первых пяти гармоник для трубы длиной 20 сантиметров и выяснил, что они составляют 223 (как вы помните, я никогда не получал этой гармоники), 446, 669, 892 и 1115 герц соответственно. Высота тона растет довольно быстро.

Опасный резонанс

Безусловно, физика резонанса отнюдь не ограничивается рамками учебных демонстраций. Подумайте хотя бы о том невероятном множестве различных настроений, которые порождает музыка, извлекаемая из разных инструментов. Музыкальный резонанс апеллирует к нашим эмоциям, пробуждая в нас веселье и тревогу, спокойствие и благоговение, страх, радость, печаль и многие-многие другие чувства. Неудивительно, что мы говорим о переживаемом людьми эмоциональном резонансе, способном создавать взаимоотношения, наполненные богатством и глубиной, и тончайшие обертона понимания, нежности и желания. Едва ли это случайно, что каждый человек стремится быть «настроенным на чью-то волну». И как нам больно, когда мы теряем этот резонанс, временно или навсегда, и то, что прежде ощущалось как гармония, превращается в нестройный шум и полную эмоциональную какофонию. Помните персонажей пьесы Эдварда Олби «Кто боится Вирджинии Вульф?», супругов Джорджа и Марту? Они постоянно скандалят. Пока они воюют друг с другом, они остаются просто «шоу» для своих гостей, но пара становится гораздо опаснее, когда объединяет усилия, чтобы втянуть в свои «игры» гостя. Но опасен не только эмоциональный резонанс; в физике он тоже может быть поистине разрушительной силой.