Теория Большого взрыва. Наука в сериале - Дэйв Зобель

Когда мы становимся старше, мы теряем способность различать тихие звуки и очень высокие и очень низкие колебания, поэтому хитрые подростки часто выбирают очень высокие рингтоны для своих телефонов, которые не слышны взрослым. Учителя считают такой выбор проявлением вежливости, так как это нарушает дисциплину гораздо менее деструктивным способом.

А вы разве не слышали?

Простейший способ проверки слуха – это проиграть звуки различной частоты и громкости и спросить, слышит ли их испытуемый или нет. Но, когда нет возможности использования вербального общения, в случае с маленькими детьми или животными, приходится использовать другие методы.

В 1957 году доктор Джон К. Лилли (выпускник Калтеха 1938 года) дрессировал дельфина свистеть за лакомые кусочки. Каждый раз, когда дельфин свистел (частота не имела значения), он получал лакомство от Лилли. Вдруг дельфин замолчал, и Лилли перестал его кормить. Через какое-то время он снова засвистел и получил за это награду.

Когда же Лилли просмотрел запись, он понял, что в течение молчаливой части программы дельфин вовсе не перестал свистеть. Поскольку у него есть способность издавать (и слышать) частоты в семь раз выше, чем самая высокая частота, доступная человеческому уху, он просто перешел на ультразвук. Поняв, что несколько ультразвуковых посвистываний остались без вознаграждения, он перешел на более низкие частоты и больше не поднимался выше.

Может, это уже дельфин использовал систему поощрения, чтобы изучить диапазон человеческого слуха? Неужели испытуемый стал экспериментатором?

Такой поворот событий легко представить. Мы, человеческие существа, часто опираемся на эксперимент как на способ получения истины. Мы знаем, что дельфины очень умные существа. Мы можем предположить, что животное проявило любопытство по поводу человеческого слуха, и решило что-нибудь о нем узнать и провести тест. Но антропоморфизация никогда не признавалась достойным научным опытом (см. главу 32), равно как и скоропалительные выводы. Решил ли дельфин проверить слух Лилли или просто валял дурака? Не умея читать мысли, даже самый способный заклинатель дельфинов не сможет пойти дальше пустых предположений.

Более того, дельфин, который достаточно умен, чтобы заниматься наукой, не стал бы проводить опыт подобным образом, поскольку результаты не доказывали, что Лилли не слышал ультразвуковой свист, он просто не поощрялся им по какой-то причине. Это все равно как если родитель иногда покупает вам мороженое, когда вы вежливо просите, и никогда, если вы орете (хоть вас и слышно намного лучше).

Без понимания дельфиньей мотивации мы можем только утверждать, что он узнал (несмотря на то, было ли это целью его изысканий), что свист выше определенной частоты не дает никакой награды.

И это довольно полезная информация… для представителя семейства китовых.

Раз то, что вы слышите, это не движение самого предмета, а повторение колебаний давления воздуха на ваши барабанные перепонки, то должен быть обеспечен непрерывный путь к вашим ушам. Все, что встретится на этом пути, уменьшающее разницу давления, достигающего вашего уха, сделает звук тише.

Если вы закроете уши чем-нибудь жестким, отчего молекулы воздуха будут просто отскакивать (например, стаканом), то это помешает некоторым волнам пройти сквозь него. Чем дольше времени проходит между областями высокого и низкого давления, тем менее эффективно они отталкиваются от предмета. Поэтому низкие частоты проходят преграду лучше, чем высокие.

Прикрыв уши чем-то, что механически замедлит потоки воздушных молекул (например, подушкой), вы позволите исходящей области высокого давления нагнать область низкого. Чем больше расстояние между ними, тем меньше они накладываются друг на друга. Поэтому опять же низкие частоты пройдут сквозь нее гораздо лучше высоких.

Громко + громко = тихо?

Волны могут накладываться друг на друга. Там, где гребень одной волны совпадает с гребнем другой, а подошва одной совпадает с подошвой другой, происходит двойное усиление. Там, где гребень накладывается на подошву, в результате оказывается не гребень и не подошва, а что-то среднее между ними.

Если две волны накладываются таким образом, что их гребни и подошвы всегда совпадают, например в случае, если два радиоприемника находятся рядом и настроены на одну и ту же передачу, то они производят волну двойной мощности. Вода поднимается очень высоко или опускается очень низко, или звуковое давление сначала очень высокое, а потом очень низкое, или электромагнитное поле сначала очень сильное в одном направлении, затем в противоположном. Мы получаем наводнение, или очень громкий звук, или очень яркий свет.

Но если две волны накладываются таким образом, что гребни одной совпадают с подошвой другой, как это происходит внутри шумопоглощающих наушников, то в результате получается ничто. Волны уничтожают друг друга, и получается, будто и не было никаких волн: что дает одна волна, забирает другая.

Шум – это любой нежелательный звук. Шумопоглощающие наушники созданы для того, чтобы гасить звуки, которые направляются к вашему уху извне (для них все эти звуки нежелательны и потому сразу относятся к шуму). Они не могут убрать неприятные звуки, являющиеся частью звукового сигнала, исходящего от вашего МР3-плеера, или голоса, доносящиеся из вашей головы.

Шумопоглощающие наушники бывают активные и пассивные. Пассивные модели обычно выпускаются с пластиковой оболочкой (чтобы отражать звуковые волны) и поролоновой прокладкой (чтобы заглушить те волны, которые смогли пройти внутрь). Активные модели похожи на пассивные, но они также способны создавать собственную звуковую волну, которая уменьшает давление входящих областей высокого давления и увеличивает давление низких. Каждый наушник содержит маленький микрофон, обращенный наружу, который улавливает звуки, поступающие извне. Электронные схемы воссоздают то, как эти звуки будут воздействовать на пассивные части наушников, и отправляют противоположный сигнал динамику в наушнике. Там, где у первой волны увеличивается давление, у второй уменьшается, и наоборот. Они постоянно гасят друг друга. (Это все равно как наполнять ванну, у которой кран и слив контролируются одним и тем же вентилем.) Входящий шум и его искусственно созданная противоположность в сумме производят тишину.

Гашение звука путем добавления противоположного ему звука приводит к тишине, но это не то же самое, что отсутствие какого-либо исходного шума. В процессе используется энергия. Это как четко отрегулированный канат для перетягивания: хоть веревка и не двигается с места, обе команды прилагают для этого огромные усилия. Каждый раз, когда внешний звук пытается потянуть «канат» воздушного давления в одну сторону, шумопоглощающая схема двигает его в противоположном направлении настолько, насколько нужно, чтобы погасить эффект первоначального шума. Когда микрофон улавливает увеличивающееся давление, которое способно надавить на барабанные перепонки, динамик выдвигается вперед, уменьшая это давление; когда регистрируется низкое давление, которое способно выгнуть барабанную перепонку, динамик втягивается, увеличивая давление. Таким образом, входящие звуки постоянно гасятся противоположными действиями динамика.

После всего выше сказанного один из возможных способов решения проблемы шумопроизводящего соседа – это равноценный шум, направленный в противоположном направлении. Когда ваш сосед вздохнет, вздохните ему в ответ, когда он стонет, стоните, когда он рыдает, тоже поплачьте. Или просто воткните пальцы в уши и изобразите рвотные позывы.

эврика! @ caltech.edu

Инновация с/без изобретения

Хоть жизнь без его бесценных наушников и невыносима для Шелдона, он немногим отличается от нас с вами. Сколько вы сможете продержаться без вашего смартфона? Или пульта от телевизора? Или наручного радиопередатчика?

Но при этом у основания так называемой пирамиды находятся около четырех миллиардов человек, которые выживают на три доллара в день, и для них импортируемая бытовая электроника, так обязательная для нас, остается непозволительной роскошью. Для них каждодневные проблемы не о том, как «повосхищаться любимой песней, уложившись в 140 знаков», а о том, «как удержать ферму на плаву и избежать ее продажи» или «как потерять меньше пожилых родственников от теплового удара в этом году».

Калтеховский профессор инженерной механики Кен Пикар при поддержке некоммерческой организации «Инженеры для обновляемого мира» создал ряд обучающих курсов, концентрирующихся на технологических решениях для развивающихся стран. Пикар считает, что эффективные решения скорее возникают из недорогостоящего винегрета уже существующих технологий, чем из новеньких сияющих изобретений. Например, его студенты соединили миниатюрную турбину и генератор, чтобы создать карманную зарядку для телефонов, которую можно вывесить из окна автобуса по дороге на работу под воздействием ветра. (В развивающихся странах мобильные телефоны доступны, но электричество очень дорогое.)