Tento příspěvek je součástí Mini týdne, kdy tento týden každý všední den zveřejňuji nový mini příspěvek, ale vlastně ne mini, jak se ukázalo.
___________
Vždycky jsem byl trochu zmatený ohledně zvuku. A tak jsem se pro „úterní“ „mini“ příspěvek rozhodl s tím něco udělat.
Zvuk si představujeme jako něco, co slyšíme – něco, co vydává zvuk. Ale z čistě fyzikálního hlediska je zvuk jen vibrace procházející hmotou.
Způsob, jakým vibrace „prochází“ hmotou, má podobu zvukové vlny. Když si představíte zvukové vlny, pravděpodobně vás napadne něco takového:1
Ale takhle zvukové vlny nefungují. Takové vlně se říká příčná vlna, kde se každá jednotlivá částice pohybuje nahoru a dolů a vytváří situaci hada.
Zvuková vlna se spíše podobá situaci žížaly:2
Stejně jako žížala se zvuk pohybuje stlačováním a rozkládáním. Tomu se říká podélná vlna. Žížala umí oba druhy vln:13
Zvuk začíná nějakou vibrací, která vytváří podélnou vlnu procházející hmotou. Podívejte se na tohle:4
Takhle vypadá zvuk – jen si představte rozpínající se vlnění koulí, které to dělá. V této animaci je zvuková vlna generována tím vibrujícím šedým pruhem vlevo. Ten pruh mohou být vaše hlasivky, kytarová struna nebo vodopád nepřetržitě bušící do řeky pod vámi. Při pohledu na červené tečky vidíte, že i když se vlna pohybuje jedním směrem, každá jednotlivá částice se pohybuje pouze sem a tam, čímž napodobuje vibrace šedého pruhu.
Místo křivolaké hadí vlny je tedy zvuk tlakovou vlnou, která způsobuje, že každý kousek vzduchu má buď vyšší než normální tlak, nebo nižší než normální tlak. Když tedy vidíte znázornění zvukové vlny ve tvaru hada, odkazuje to na míru tlaku, nikoli na doslovnou dráhu pohybu částic:5
Zvukové vlny mohou procházet vzduchem, což je způsob, jakým je běžně vnímáme. Mohou však procházet i kapalinou2 nebo pevnou látkou – velká část otřesů, k nimž dochází při zemětřesení, je výsledkem obrovské zvukové vlny svištící zemí (v takovém případě slouží pohyb zlomu jako šedé a červené pruhy v animacích výše).
A co rychlost zvuku? No, záleží na tom, jak rychle se může tlaková vlna v daném prostředí pohybovat. Médium, které je tekutější, jako například vzduch, je vysoce stlačitelné, takže vlně trvá déle, než se pohne, zatímco voda je mnohem méně stlačitelná, takže je zde menší „poddajnost“, která vlnu zpomaluje. Je to jako když dva lidé drží mezi sebou nataženou šlajsnu – pokud jeden z nich zatlačí svým koncem směrem k druhému, vlně bude chvíli trvat, než se po šlajsně vydá, než ji druhý člověk ucítí. Ale pokud ti dva lidé drží tyč od koštěte, když jeden z nich zatlačí, druhý to ucítí okamžitě, protože tyč od koštěte je mnohem méně stlačitelná.6
Takže dává smysl, že rychlost zvuku ve vzduchu (768 mph / 1234 kmph za normálních podmínek) je asi čtyřikrát pomalejší než rychlost zvuku ve vodě, která je sama o sobě asi čtyřikrát pomalejší než rychlost zvuku přes pevné těleso, jako je železo.6
Zpět k nám a sluchu. Uši jsou evoluční vymožeností, která nám umožňuje registrovat zvukové vlny ve vzduchu kolem nás a zpracovávat je jako informaci – bez uší by většina zvukových vln byla pro člověka nepostřehnutelná, pouze nejhlasitější zvuky bychom registrovali jako citelné vibrace na kůži. Uši nám dávají kouzelnou schopnost vnímat i slabé zvukové vlny tak jemným způsobem, že nám obvykle dokáží přesně říci, odkud zvuk přichází a jaký je jeho význam. A to nám umožňuje mluvit. Nejdůležitější druh lidské komunikace probíhá tak, že náš mozek posílá informace jiným mozkům prostřednictvím složitých vzorců tlakových vln vzduchu. Už jste se někdy zastavili a přemýšleli o tom, jak je to neuvěřitelné?“
Chystal jsem se pokračovat, ale promiňte, nemůžu se přes to přenést. Až budete příště s někým mluvit, chci, abyste se zastavili a zamysleli se nad tím, co se děje. Tvůj mozek má myšlenku. Převádí tuto myšlenku do vzorce tlakových vln. Pak vaše plíce vyšlou vzduch ven z vašeho těla, ale vy při tom rozvibrujete hlasivky tím správným způsobem a pohybujete ústy a jazykem do těch správných tvarů, že v době, kdy vás vzduch opouští, je do něj vložen vzorec vysokotlakých a nízkotlakých oblastí. Kód v tomto vzduchu se pak šíří do všeho vzduchu v okolí, jehož malá část skončí v uchu vašeho přítele, kde projde jeho ušním bubínkem. Přitom rozvibruje jeho bubínek takovým způsobem, že mu předá nejen kód, ale i přesné místo v místnosti, odkud přišel, a konkrétní tón hlasu, kterým přišel. Vibrace bubínku se přenášejí přes tři drobné kůstky do malého vaku s tekutinou, který pak informace přenáší na elektrické impulsy a posílá je po sluchovém nervu do mozku, kde se informace dekódují. To vše se odehraje za osminu sekundy, aniž by se o to kdokoli z vás pokusil. Mluvení je zázrak.
Ani-
Ucho dokáže rozeznat mnoho vlastností slyšeného zvuku, ale dvě z nejzákladnějších jsou výška a hlasitost.
Výška tónu
Výška tónu závisí na vlnové délce – tj. na tom, jak daleko od sebe jsou tlakové vlny:7
Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je výška tónu. Lidé mohou slyšet frekvence již od 20 Hz (což je vlna dlouhá 56 stop / 17 m) a až 20 000 Hz (,7 palce / 1,7 cm). S přibývajícím věkem ztrácíte schopnost slyšet nejvyšší výšky, takže většina z vás při poslechu frekvencí blížících se 20 000 Hz pravděpodobně nic neslyší (váš pes s vámi nebude souhlasit). Snadněji však uslyšíte nejnižší část rozsahu.8 Důvodem, proč můžete vnímat nízké zvuky, například nízké basové tóny v hudbě, je to, že vlnová délka je tak dlouhá, že ve skutečnosti trvá 1/20 sekundy, než celá vlna projde vaším tělem (proto 20 Hz).34
Hlasitost
Hlasitost5 zvuku, který slyšíme, je určena amplitudou tlakových vln. Ve výše uvedené animaci mají zobrazené zvuky s vysokým a nízkým tónem stejnou hlasitost, protože křivky tlaku v dolní části animace jsou vertikálně stejně velké. Hlasitější zvuky mají větší oscilaci mezi nízkotlakou a vysokotlakou částí vlny – tj. hlasité zvuky mají vyšší vysokotlakou a nižší nízkotlakou část než tiché zvuky.
Pro zvuky procházející vzduchem na povrchu Země je průměr vysokotlaké a nízkotlaké části vlny náš normální atmosférický tlak – to, co nazýváme 1 „atmosférický“ tlak. Zvuková vlna tedy může mít vysokotlakou složku 1,0001 atmosféry a nízkotlakou složku 0,9999 atmosféry a hlasitější zvuk může mít místo toho 1,01/,99 – ale v obou případech je průměr obou složek 1 atmosféra.
Hlasitost často měříme pomocí jednotky zvané decibel (pojmenované po Alexandru Grahamu Bellovi). Pokud chcete být zmateni, přečtěte si stránku o decibelech na Wikipedii. Je to strašně hnusná jednotka. A než abychom se oba nudili jejím vysvětlováním, pojďme si raději promluvit o tom, jak decibely používáme k měření zvuku.
Stupnice hlasitosti má velmi malé minimum. Nejslabší zvuky jsou mnohem tišší, než by mohl slyšet kterýkoli člověk – dokonce tišší, než by mohl zaznamenat kterýkoli z našich nejlepších vědeckých přístrojů. Ale v závislosti na tom, kde se nacházíte, má zvuk tvrdé maximum. Důvodem je, že zvuk není věc sama o sobě – je to tlaková vlna, která se pohybuje prostředím. A protože, jak jsme si řekli, průměr vysokého a nízkého tlakového bodu zvukové vlny musí být roven normálnímu tlaku média, je hlasitost omezena tím, že nakonec nízký tlakový bod dosáhne nulového tlaku – vakua. Protože nízký tlak nemůže klesnout níže, určuje tento bod maximální amplitudu zvukové vlny a nejhlasitější zvuk, který může být v daném místě slyšet.
Decibely (dB) jsou výhodné v tom, že absolutně nejslabší zvuk vnímatelný lidským uchem je podle definice 0 dB – říkáme tomu „práh slyšení“. Vědci se snaží zkoumat zvuky hluboko do záporných hodnot decibelové stupnice a na Zemi existují uměle vytvořené místnosti, které registrují až -9,4 dB – kde je takové ticho, že slyšíte, jak vám krev pumpuje ve vlastním mozku – ale my slyšíme pouze zvuky v kladných hodnotách dB. Nejvyšší možná hlasitost trvalého zvuku na zemském povrchu je 194 dB – což je situace, kdy je amplituda zvukové vlny tak intenzivní, že v nízkotlaké části je dokonalé vakuum (vlna střídá dvojnásobek normálního atmosférického tlaku a žádný vzduch – což není něco, u čeho byste chtěli být přítomni). Podívejme se na celou stupnici, počínaje těmi opravdu tichými.
Jedna věc, kterou je třeba mít na paměti, je, že u decibelů každé zvýšení o 10 dB zdvojnásobuje hlasitost. Takže 20 dB je dvakrát hlasitější než 10 dB, 30 dB je čtyřikrát hlasitější než 10 dB a 80 dB je 128krát hlasitější než 10 dB.69
Stupnice se zastavuje na hodnotě 194, protože na zemském povrchu neexistuje hlasitější zvuk. Můžeme ji však překročit dvěma způsoby:
1) Rázové vlny
Když se uvolní dost energie na to, aby překročila hranici 194 dB, je to příliš mnoho na to, aby se vytvořila trvalá tlaková vlna, protože jsme dosáhli dna nízkého tlaku – ale i tak se dějí věci. Velmi, velmi intenzivní věci.
Při 194 dB dochází k maximální vlně střídající dvojnásobek normálního tlaku a úplné vakuum – ale jakmile se dostaneme na 195 dB, energie se přestane pohybovat vzduchem a začne tlačit vzduch ven rozpínajícím se vakuem. Čím více je dB nad 194, tím větší dosah a větší dopad bude mít tato vakuová bublina. Rozpíná se směrem ven jako rychle rostoucí polokoule:10
Na okraji bubliny je bariéra ze superstlačeného plynu, a když se tato bariéra přežene přes zemi, obvykle srovná se zemí vše, co jí stojí v cestě:11
Jak se polokoule rozpíná, ztrácí energii a nakonec se rozptýlí. Kdyby ses však ocitl v dráze rázové vlny dříve, než k tomu dojde, měl bys smůlu. Za prvé, náraz do superstlačené bariéry by byl jako náraz do cihlové zdi (stejným způsobem a ze stejného důvodu je pád na vodu z mostu jako pád na beton). Za druhé, stlačený vzduch je horký. Za třetí, nezasáhl by jen všechny části vašeho těla, ale prošel by vaším tělem, a pokud by byl dostatečně silný, mohl by vaše kosti proměnit v prášek a orgány v polévku.
Tady jsou některé slavné události s hlasitostí 194 dB+:
Start Saturnu V: Saturn V byl zvíře a zvukové vlny při jeho startu byly tak intenzivní, že dokázaly zapálit trávu na kilometr daleko. I na vzdálenost tří mil by pozorovatel zažil zvuk drásající uši o síle 135 dB.12 Start rakety vytváří tak silný zvuk, že vesmírné agentury při startu rakety zaplavují startovací rampu vodou, aby zvuk pohltila a síla tlakové vlny nepoškodila raketu.
Bomby na Hirošimu a Nagasaki: Podle zdrojů, které jsem četl, dosahovaly hlučnosti hodně přes 200 dB. Tlaková vlna byla tak nabitá, že urazila 7 mil / 11 km za 30 sekund.
Výbuch sopky Krakatoa v roce 1883:13 Jsem zahlcen množstvím věcí, které vám musím o Krakatoe říct. Pojďme dělat odrážky.
- Krakatoa je ostrov v Indonésii a k erupci došlo 27. srpna 1883.
- Erupce ostrov zcela zničila a vyslala obrovské množství trosek do výšky 17 mil (27 km) rychlostí půl míle za sekundu. Způsobila také jednu z nejsmrtonosnějších a nejrozsáhlejších vln tsunami v historii. Celkem erupce zabila 36 000 lidí.
- Nejúžasnější na erupci však byl její zvuk. Vydávala pravděpodobně nejhlasitější zvuk na Zemi v novodobé historii.
- Byla tak hlasitá, že rázová vlna sahala tak daleko, že námořníkům ve vzdálenosti 40 mil protrhla ušní bubínky.
- Ve vzdálenosti 100 mil byl zvuk stále 172 dB, což stačilo na to, aby někomu trvale zničila uši nebo ho dokonce zabila. Ať jste kdekoli, představte si místo vzdálené asi 100 mil (161 km). Nyní si představte, že se tam děje něco, co způsobí v místě, kde se nacházíte, tak silný zvuk, že kdybyste při dopadu zvuku někomu křičeli z plných plic přímo do ucha, nemohl by slyšet, že to děláte. Pro srovnání: zvuk při startu Saturnu V byl ve vzdálenosti 100 metrů 170 dB. Krakatoa měla ve vzdálenosti 100 mil hlasitost vyšší.
- Zvuk prolomil metr silnou betonovou zeď ve vzdálenosti 300 mil (483 km).
- Zvuk byl slyšet až v Austrálii (kde zněl jako výstřel z dalekonosného kanónu) a dokonce až na ostrově Rodrigues, vzdáleném 3 000 mil. Tři tisíce mil daleko. Momentálně jsem v New Yorku. Představte si, že by se v Kalifornii nebo v Evropě stalo něco, co bych mohl slyšet v New Yorku. To snad ani nejde.
- Když se zvuk nakonec dostal tak daleko, že ho lidé už neslyšeli, barometry po celém světě několik následujících dní šílely, protože zvukové vlny obkroužily Zemi 3,5krát.
- Koneckonců, znáte slavný obraz Křik? No víte, jak je obloha z nějakého důvodu celá červená? Nebe je červené, protože malíře Edvarda Muncha inspirovalo k namalování obrazu to, že rok po erupci Krakatoa viděl červenou oblohu na celé západní polokouli.
Byla to velká erupce.
2) Jiná média
Může existovat hlasitější zvuk než 194 dB – jen ne na povrchu Země. Hlasitější zvuky mohou být v oceánu, na souši nebo na jiných planetách. Například plynní obři v naší sluneční soustavě mají hustší atmosféru než Země, což umožňuje vyšší amplitudy tlakových vln, a díky neuvěřitelně rychlým větrům a silným bouřím je tam spousta příležitostí k vytváření hlasitých věcí.
Co není hlasité, je téměř vše ostatní ve vesmíru. Pravděpodobně jste už slyšeli termín „Zvuk se nešíří ve vakuu“, ale teď už to dává smysl, ne? Zvuk je tlakové vlnění procházející hmotou. Pokud není hmota, není ani zvuk. Může tam být obrovské teplo, záření a síla, ale pro člověka, který je poblíž a pozoruje, je to všechno mrtvolně tiché.
Pokud by hypoteticky vesmír vyplňoval vzduch, pak by najednou bylo všechno velmi hlasité. Zapomeňte na děsivou představu zvuku supernovy – jen hloupé Slunce, které tam sedí a visí, by se rozeznělo ohromující silou 290 dB. Podle jednoho slunečního fyzika bychom to na Zemi slyšeli jako zvuk o síle 100 dB – hlasitost motocyklu – neustále, každý den a všude. Buďte rádi, že se zvuk nešíří ve vzduchoprázdnu.
Ještě jedna myšlenka-
Vyšetřování pro tento příspěvek a učení se o tom, co je to zvuk, mi poskytlo nový pohled na strom padající v lese, když tam nikdo neslyší jeho otázku. Nyní si myslím, že ne, nevydává zvuk. Vydává tlakovou vlnu vzduchu a to je vše. Pojem zvuk je z definice vnímání tlakové vlny biologickou bytostí – a pokud v okolí nejsou uši, které by tlakovou vlnu vnímaly, žádný zvuk není. Je to trochu jako ptát se: „Když lidé vyhynou a někde v postapokalyptických troskách bude ležet fotografie krásné ženy – je stále krásná?“. Tak nějak si myslím, že není. Protože jediné, co je na ní krásné, je to, že ji lidé shledali krásnou, a bez lidí není o nic krásnější než samička brouka o pár metrů dál, která se přehrabuje v sutinách. Správně?“
___________
Tři věci, které chci, abyste si přečetli:
Pokud vás zajímá Wait But Why, zaregistrujte se do e-mailového seznamu Wait But Why a my vám budeme posílat nové příspěvky hned, jak vyjdou. Je to lepší, než kdybyste museli kontrolovat stránky a divit se!
Pokud chcete Wait But Why podpořit, tady je náš Patreon.
A celý seriál příspěvků Elona Muska je nyní k dispozici jako ebook.
___________
Pokud se vám to líbilo, tady je několik dalších Wait But Why vysvětlivek:
Jak Tesla změní svět
Revoluce umělé inteligence: Cesta k superinteligenci
Putting Time in Perspective
Zdroje
Úžasné GIFy: Dan Russell a ISVR
CDC: Hluk a prevence ztráty sluchu
Ministerstvo práce USA: Expozice hluku při práci
Nautil.us: The Sound So Loud That It Circled the Earth Four Times
UNSW: What is a Decibel?
Decibelcar.com: Decibel Equivalent Table
Make it Louder: Decibelová tabulka nejvyšší hladiny akustického tlaku
NASA:
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Test potlačení zvuku: 40407: It Might Get Loud (Může to být hlasité): GC Audio: 10 nejhlasitějších rockových kapel všech dob
GC Audio: Srovnávací tabulka decibelů (hlasitosti)
Mathpages.com: The Speed of Sound
Turn it to the Left: Noise Levels
Extreme Tech: Může vás dostatečně hlasitý zvuk zabít?
Abelard.com: Hlasitá hudba a poškození sluchu
Zvukově odolná kráva: Nejhlasitější zvuk, jaký jste kdy slyšeli
Chalmers: Kvantový mikrofon zachycuje extrémně slabý zvuk
born.gov.au: The eruption of Krakatoa, August 27 1883