Ten post jest częścią Mini Tygodnia, w którym publikuję nowy mini post, ale właściwie nie mini, jak się okazuje, w każdy dzień tygodnia w tym tygodniu.
___________
Zawsze byłem trochę zdezorientowany na temat dźwięku. Więc na „wtorek” „mini” post, postanowiłem zrobić coś o tym.
Myślimy o dźwięku jako coś słyszymy- coś, co robi hałas. Ale w kategoriach czystej fizyki, dźwięk jest po prostu wibracje przechodzące przez materię.
Sposób wibracje „przechodzi” materii jest w postaci fali dźwiękowej. Kiedy myślisz o falach dźwiękowych, prawdopodobnie myślisz o czymś takim:1
Ale to nie tak działają fale dźwiękowe. Taka fala jest nazywana falą poprzeczną, gdzie każda pojedyncza cząstka porusza się w górę i w dół, tworząc sytuację węża.
Fala dźwiękowa jest bardziej podobna do sytuacji dżdżownicy:2
Jak dżdżownica, dźwięk porusza się poprzez ściskanie i rozprężanie. Nazywa się to falą podłużną. Slinky może wykonywać oba rodzaje fal:13
Dźwięk zaczyna się od wibracji jakiegoś rodzaju, tworząc falę podłużną w materii. Zobacz to:4
Tak właśnie wygląda dźwięk – z wyjątkiem obrazu rozszerzającej się fali kul, które to robią. W tej animacji, fala dźwiękowa jest generowana przez ten wibrujący szary pasek po lewej stronie. Pasek ten może być Twoimi strunami głosowymi, struną gitary lub wodospadem nieustannie spływającym do rzeki poniżej. Patrząc na czerwone kropki, można zauważyć, że chociaż fala porusza się w jednym kierunku, każda indywidualna cząstka porusza się tylko tam i z powrotem, naśladując wibracje szarego baru.
Więc zamiast krzywej fali wężowej, dźwięk jest falą ciśnienia, która powoduje, że każdy kawałek powietrza jest albo wyższy niż normalne ciśnienie lub niższy niż normalne ciśnienie. Więc kiedy widzisz wężową ilustrację fali dźwiękowej, odnosi się ona do miary ciśnienia, a nie do dosłownej ścieżki ruchu cząsteczek:5
Fale dźwiękowe mogą przechodzić przez powietrze, czyli w sposób, w jaki zwykle ich doświadczamy. Ale może również przejść przez ciecz2 lub materii stałej-wiele z wstrząsów, które zdarzają się podczas trzęsienia ziemi jest wynikiem ogromnej fali dźwiękowej whizzing przez ziemię (w tym przypadku, ruch uskok służy jako szare i czerwone paski w animacji powyżej).
Jak o prędkości dźwięku? Cóż, zależy to od tego, jak szybko fala ciśnienia może się poruszać w danym ośrodku. Środek, który jest bardziej płynny, jak powietrze, jest bardzo ściśliwy, więc fala porusza się dłużej, podczas gdy woda jest znacznie mniej ściśliwa, więc jest mniej „dać”, aby spowolnić falę w dół. To tak, jakby dwie osoby trzymały między sobą wyciągnięte slinky – jeśli jedna z nich popchnie swój koniec w kierunku drugiej osoby, fala będzie potrzebowała trochę czasu, aby przemieścić się w dół slinky, zanim druga osoba ją poczuje. Ale jeśli dwie osoby trzymają miotłę, kiedy jedna popchnie, druga poczuje to natychmiast, ponieważ miotła jest znacznie mniej ściśliwa.6
Więc to ma sens, że prędkość dźwięku w powietrzu (768 mph / 1,234 kmph w normalnych warunkach) jest około cztery razy wolniejsza niż prędkość dźwięku w wodzie, która sama jest około cztery razy wolniejsza niż prędkość dźwięku przez ciało stałe, takie jak żelazo.
Wracając do nas i słuchu. Uszy są ewolucyjną innowacją, która pozwala nam rejestrować fale dźwiękowe w powietrzu wokół nas i przetwarzać je jako informacje – bez uszu większość fal dźwiękowych byłaby niezauważalna dla człowieka, a tylko najgłośniejsze dźwięki rejestrowałyby się jako odczuwalne wibracje na naszej skórze. Uszy dają nam magiczną zdolność do wyczuwania nawet niewielkich fal dźwiękowych w sposób tak zniuansowany, że zazwyczaj są w stanie powiedzieć nam dokładnie, skąd pochodzi dźwięk i jakie jest jego znaczenie. I to pozwala nam mówić. Najważniejszy rodzaj ludzkiej komunikacji odbywa się, gdy nasze mózgi wysyłają informacje do innych mózgów poprzez złożone wzory fal ciśnienia powietrza. Czy kiedykolwiek zatrzymałeś się i pomyślałeś o tym, jakie to niesamowite?
Miałem zamiar przejść dalej, ale przepraszam, nie mogę tego przeboleć. Następnym razem, kiedy będziesz z kimś rozmawiał, chcę, żebyś się zatrzymał i pomyślał o tym, co się dzieje. Twój mózg ma pewną myśl. Przekłada tę myśl na wzór fal ciśnienia. Następnie twoje płuca wysyłają powietrze z twojego ciała, ale kiedy to robisz, wibrujesz strunami głosowymi w odpowiedni sposób i poruszasz ustami i językiem w odpowiednie kształty, tak że zanim powietrze cię opuści, jest ono osadzone we wzorze obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia. Kod zawarty w tym powietrzu rozprzestrzenia się na całe powietrze w pobliżu, z czego niewielka część trafia do ucha Twojego znajomego, gdzie przechodzi przez błonę bębenkową. Kiedy tak się dzieje, wibruje ona błonę bębenkową w taki sposób, aby przekazać nie tylko kod, ale także dokładnie to, skąd pochodzi i z jakim tonem głosu został nadany. Wibracje błony bębenkowej są przenoszone przez trzy małe kości do małego woreczka z płynem, który następnie przekształca informacje w impulsy elektryczne i wysyła je w górę nerwu słuchowego do mózgu, gdzie informacje są dekodowane. A wszystko to dzieje się w ciągu jednej ósmej sekundy, bez żadnego wysiłku ze strony każdego z was. Mówienie jest cudem.
Anyway-
Ucho może rozróżnić wiele cech słyszanego dźwięku, ale dwie z najbardziej podstawowych to wysokość i głośność.
Wysokość dźwięku
Wysokość dźwięku zależy od długości fali – czyli od tego, jak daleko od siebie znajdują się fale ciśnienia:7
Im krótsza długość fali, tym wyższa wysokość dźwięku. Ludzie słyszą dźwięki o częstotliwości tak niskiej jak 20 Hz (co odpowiada fali o długości 17 m) i tak wysokiej jak 20 000 Hz (1,7 cm). Z wiekiem tracimy zdolność słyszenia najwyższych tonów, więc większość z nas prawdopodobnie nic nie słyszy, gdy słucha częstotliwości zbliżających się do 20 000 Hz (Twój pies się z tym nie zgodzi). Łatwiej będzie Ci jednak usłyszeć najniższą część tego zakresu.8 Powodem, dla którego możesz poczuć niskie dźwięki, takie jak niskie nuty basowe w muzyce, jest fakt, że długość fali jest tak duża, że przejście pełnej fali przez Twoje ciało zajmuje 1/20 sekundy (stąd 20 Hz).34
Głośność
Głośność5 dźwięku, który słyszymy, jest określana przez amplitudę fal ciśnienia. Na powyższej animacji przedstawione dźwięki wysokie i niskie mają taką samą głośność, ponieważ krzywe ciśnienia na dole animacji są tej samej wielkości w pionie. Głośniejsze dźwięki mają większą oscylację pomiędzy niskimi i wysokimi częściami ciśnienia fali – tzn. głośne dźwięki mają wyższe części wysokiego ciśnienia i niższe części niskiego ciśnienia niż ciche dźwięki.
W przypadku dźwięków przechodzących przez powietrze na powierzchni Ziemi, średnia części wysokiego i niskiego ciśnienia fali jest naszym normalnym ciśnieniem atmosferycznym – co nazywamy 1 „atmosferą” ciśnienia. Tak więc fala dźwiękowa może mieć składnik wysokiego ciśnienia 1,0001 atmosfery i składnik niskiego ciśnienia .9999 atmosfery, a głośniejszy dźwięk może być 1,01/.99 zamiast – ale w obu przypadkach, średnia z tych dwóch jest 1 atmosfera.
Często mierzymy głośność używając jednostki zwanej decybel (nazwanej na cześć Alexandra Grahama Bella). Jeśli chcesz być zdezorientowany, przeczytaj stronę Wikipedii na temat decybeli. Jest to super paskudna jednostka. I zamiast zanudzać nas oboje wyjaśnieniem tego, po prostu porozmawiajmy o tym, jak używamy decybeli do mierzenia dźwięku.
Skala głośności ma bardzo małe minimum. Najsłabsze dźwięki są o wiele bardziej miękkie niż jakikolwiek człowiek mógłby usłyszeć – nawet bardziej miękkie niż jakikolwiek z naszych najlepszych instrumentów naukowych mógłby wykryć. Ale w zależności od tego, gdzie się znajdujesz, dźwięk ma swoje maksimum. Powodem tego jest fakt, że dźwięk nie jest rzeczą samą w sobie – jest to fala ciśnienia poruszająca się przez ośrodek. A ponieważ, jak już mówiliśmy, średnia z punktów wysokiego i niskiego ciśnienia fali dźwiękowej musi być równa normalnemu ciśnieniu ośrodka, głośność jest ograniczona przez fakt, że w końcu punkt niskiego ciśnienia trafia na zero – próżnię. Ponieważ niskie ciśnienie nie może spaść niżej, ten punkt określa maksymalną amplitudę fali dźwiękowej i najgłośniejszy dźwięk może być, w danym miejscu.
Wygodną rzeczą dotyczącą decybeli (dB) jest to, że absolutnie najsłabszy dźwięk wykrywalny dla ludzkiego ucha jest z definicji 0 dB – nazywamy to „progiem słyszalności”. Naukowcy dokładają wszelkich starań, aby badać dźwięki w ujemnej skali decybeli. Istnieją na Ziemi pomieszczenia stworzone przez człowieka, które rejestrują tak niskie wartości jak -9,4 dB – gdzie jest tak cicho, że można usłyszeć krew pompowaną przez własny mózg – ale my słyszymy tylko dźwięki w dB dodatnich. Najgłośniejszy trwały dźwięk na powierzchni Ziemi to 194 dB – wtedy amplituda fali dźwiękowej jest tak intensywna, że część niskociśnieniowa jest idealną próżnią (fala naprzemiennie wytwarza podwójne normalne ciśnienie atmosferyczne i nie wytwarza w ogóle powietrza – nie jest to coś, przy czym chcielibyśmy być obecni). Przyjrzyjmy się pełnej skali, zaczynając od naprawdę cichego.
Jedną rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że w decybelach każdy wzrost o 10 dB podwaja głośność. Zatem 20 dB to dwa razy głośniej niż 10 dB, 30 dB to cztery razy głośniej niż 10 dB, a 80 dB to 128 razy głośniej niż 10 dB.69
Skala zatrzymuje się na 194, ponieważ na powierzchni Ziemi nie ma czegoś takiego jak głośniejszy dźwięk. Ale możemy wyjść poza tę granicę na dwa sposoby:
1) Fale uderzeniowe
Gdy uwolniona zostanie wystarczająca ilość energii, aby przekroczyć próg 194 dB, jest to zbyt dużo, aby wytworzyć trwałą falę ciśnienia, ponieważ osiągnęliśmy dolną granicę niskiego ciśnienia – ale nadal dzieją się rzeczy. Bardzo, bardzo intensywne rzeczy.
Na 194 dB, jest maksymalna fala naprzemiennie między podwójnym normalnym ciśnieniem i całkowitej próżni, ale kiedy dojdziemy do 195 dB, energia przestaje poruszać się w powietrzu i zaczyna wypychać powietrze na zewnątrz z rozszerzającą się próżnią. Im więcej dB powyżej 194, tym dalej sięgający i silniej oddziałujący będzie ten bąbel próżni. Rozszerza się ona na zewnątrz jako szybko rosnąca półkula:10
Na krawędzi bańki znajduje się bariera z super sprężonego gazu, a kiedy bariera ta przetacza się nad ziemią, zazwyczaj spłaszcza wszystko, co znajdzie się na jej drodze:11
W miarę rozszerzania się półkuli traci ona energię i ostatecznie rozprasza się. Ale jeśli znalazłeś się na drodze fali uderzeniowej, zanim to się stało, miałeś zły czas. Po pierwsze, uderzenie super sprężonej bariery byłoby jak uderzenie w ścianę z cegieł (w ten sam sposób i z tego samego powodu upadek na wodę z mostu jest jak upadek na beton). Po drugie, sprężone powietrze jest gorące. Po trzecie, nie tylko uderzyłoby we wszystkie części twojego ciała, ale przeszłoby przez twoje ciało, a jeśli byłoby wystarczająco silne, mogłoby zamienić twoje kości w proszek, a organy w zupę.
Oto kilka słynnych wydarzeń o natężeniu 194dB+:
Start Saturna V: Saturn V był bestią, a fale dźwiękowe z jego startów były tak intensywne, że mogły podpalić trawę w odległości mili. Nawet w odległości trzech mil obserwator doświadczyłby dźwięku o natężeniu 135 dB, który rozdzierałby uszy.12 Starty rakiet wytwarzają tak potężny dźwięk, że agencje kosmiczne zalewają płytę startową wodą podczas startu rakiety, aby pochłonąć dźwięk, tak aby siła fali ciśnienia nie uszkodziła rakiety.
Bomby Hiroszima i Nagasaki: Według źródeł, które czytałem, miały one głośność ponad 200 dB. Fala uderzeniowa była tak naładowana, że pokonała 7 mi / 11 km w 30 sekund.
Erupcja wulkanu Krakatoa w 1883 r.:13 Jestem przytłoczony ilością rzeczy, które muszę wam powiedzieć o Krakatoa. Zróbmy kule.
- Krakatoa to wyspa w Indonezji, a erupcja miała miejsce 27 sierpnia 1883 r.
- Erupcja całkowicie unicestwiła wyspę, wysyłając ogromną ilość gruzu o wysokości 17 mil (27 km) w niebo z prędkością pół mili na sekundę. Spowodowała też jedno z najbardziej zabójczych i dalekosiężnych tsunami w historii. W sumie erupcja zabiła 36 000 osób.
- Ale najbardziej niesamowitą rzeczą w erupcji był jej dźwięk. Był on prawdopodobnie najgłośniejszym dźwiękiem na Ziemi we współczesnej historii.
- Był on tak głośny, że fala uderzeniowa rozciągnęła się na tyle daleko, że pękła błona bębenkowa marynarzy oddalonych o 40 mil.
- 100 mil dalej dźwięk nadal wynosił 172 dB, wystarczająco dużo, aby trwale zniszczyć czyjeś uszy lub nawet zabić. Gdziekolwiek jesteś, pomyśl o miejscu, które jest oddalone o około 100 mil (161 km). Teraz wyobraź sobie, że dzieje się tam coś, co powoduje tak głośny dźwięk w miejscu, w którym się znajdujesz, że gdybyś krzyczał na całe gardło wprost do czyjegoś ucha w momencie uderzenia dźwięku, osoba ta nie byłaby w stanie usłyszeć, że to robisz. Dla porównania, dźwięk wystrzelenia Saturna V miał natężenie 170 dB w odległości 100 metrów. Krakatoa była wyższa niż ta 100 mil od nas.
- Dźwięk rozbił grubą na stopę betonową ścianę 300 mil (483 km) dalej.
- Dźwięk był słyszalny aż w Australii (gdzie brzmiał jak odległa wystrzelona kula armatnia), a nawet tak daleko jak Wyspa Rodrigues, 3,000 mil dalej. 3,000 mil stąd. Obecnie przebywam w Nowym Jorku. Wyobraź sobie, że w Kalifornii lub w Europie wydarzyło się coś, co mógłbym usłyszeć w Nowym Jorku. Nie mogę nawet.
- Po tym, jak dźwięk w końcu znalazł się na tyle daleko, że ludzie nie mogli go już usłyszeć, barometry na całym świecie wariowały przez następne kilka dni, ponieważ fale dźwiękowe okrążyły Ziemię 3,5 razy.
- W końcu, znacie słynny obraz Krzyk? Wiecie jak niebo jest czerwone z jakiegoś powodu? Niebo jest czerwone, ponieważ malarz, Edvard Munch, został zainspirowany do namalowania go po zobaczeniu spowodowanego przez Krakatoa czerwonego nieba na całej półkuli zachodniej w rok po erupcji.
To była duża erupcja.
2) Inne nośniki
Mogą być głośniejsze dźwięki niż 194 dB – tylko nie na powierzchni Ziemi. Może być głośniejsze dźwięki w oceanie, w ziemi, lub na innych planetach. Gazowe olbrzymy w naszym Układzie Słonecznym, na przykład, mają gęstsze atmosfery niż ziemska, co pozwala na większe amplitudy fal ciśnienia, a z niewiarygodnie szybkimi wiatrami i potężnymi burzami, jest tam mnóstwo okazji do robienia głośnych rzeczy.
To, co nie jest głośne, to prawie wszystko inne w przestrzeni. Prawdopodobnie słyszałeś określenie: „Dźwięk nie przemieszcza się w próżni”, ale teraz ma to sens, prawda? Dźwięk to fale ciśnienia przechodzące przez materię. Jeśli nie ma materii, nie ma dźwięku. Może być ogromne ciepło, promieniowanie i siła, ale dla obserwującego w pobliżu człowieka to wszystko jest martwe i nieme.
Jeśli, hipotetycznie, byłoby powietrze wypełniające wszechświat, to nagle rzeczy stałyby się bardzo głośne. Zapomnij o przerażającym pojęciu dźwięku supernowej – po prostu głupie słońce siedzące tam i wiszące na zewnątrz rozbrzmiewałoby przy zdumiewającym poziomie 290 dB. Według jednego z fizyków słonecznych, słyszelibyśmy to na Ziemi jako dźwięk o natężeniu 100 dB – głośność motocykla – przez cały czas, każdego dnia, wszędzie. Ciesz się, że dźwięk nie podróżuje w próżni.
Jedna ostatnia myśl-
Badania dla tego postu i nauka o tym, co dźwięk jest dał mi nową perspektywę na drzewo spadające w lesie z nikim tam usłyszeć to pytanie. Teraz myślę, że nie, to nie robi dźwięku. To robi falę ciśnienia powietrza i to wszystko. Koncepcja dźwięku jest z definicji biologicznej istoty percepcji fali ciśnienia – a jeśli nie ma uszu wokół, aby postrzegać fali ciśnienia, nie ma dźwięku. To trochę tak, jakby zapytać: „Jeśli ludzie wyginą, a gdzieś w postapokaliptycznych gruzach znajdzie się zdjęcie pięknej kobiety, która tam leży – czy ona nadal jest piękna?”. Nie wydaje mi się, żeby tak było. Ponieważ jedyną rzeczą, która jest w niej piękna jest to, że ludzie uznali ją za piękną, a bez ludzi nie jest ona piękniejsza od samicy żuka kilka stóp dalej, grzebiącej w gruzach. Prawda?
___________
Trzy rzeczy, które chcę, żebyś przeczytał:
Jeśli lubisz Wait But Why, zapisz się na listę mailową Wait But Why, a wyślemy ci nowe posty, gdy tylko się pojawią. Lepsze to niż sprawdzanie strony i zastanawianie się!
Jeśli chciałbyś wesprzeć Wait But Why, oto nasz Patreon.
A pełna seria postów Elona Muska jest teraz dostępna jako ebook.
___________
Jeśli podobało Ci się to, oto kilka innych wyjaśnień Wait But Why:
How Tesla Will Change the World
The AI Revolution: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Źródła
Zajebiste GIF-y: Dan Russell i ISVR
CDC: Noise and Hearing Loss Prevention
US Department of Labor: Occupational Noise Exposure
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: Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table
NASA: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: It Might Get Loud: The 10 Loudest Rock Bands of All Time
GC Audio: Decibel (Loudness) Comparison Chart
Mathpages.com: The Speed of Sound
Przekręć w lewo: Poziomy hałasu
Extreme Tech: Can a Loud Enough Sound Kill You?
Abelard.com: Głośna muzyka i uszkodzenie słuchu
Soundproof Cow: Najgłośniejszy dźwięk, jaki kiedykolwiek słyszano
Chalmers: Mikrofon kwantowy wychwytuje niezwykle słaby dźwięk
born.gov.au: Erupcja Krakatoa, 27 sierpnia 1883 roku
.