Возьмем пластмассовую линейку, складной метр или пластиковую ложку – короче говоря, любой длинный и гибкий предмет, который найдется под рукой. Положим один конец, примерно с ширину ладони руки, на край стола и крепко прижмем его там. Длинный конец теперь выдается в пространство над краем стола. Свободной рукой отогните его вниз и отпустите, позволяя ему быстро распрямиться. Раздастся звук. В зависимости от материала, это будет, скорее всего, гудение или жужжание. Подождите, пока звук не исчезнет. Теперь повторите действия, но пока линейка будет вибрировать, медленно сдвигайте ее к центру столешницы лежащей на ней рукой. Вы заметите, что чем ближе к центру стола перемещаете линейку, тем выше становится звук.
Наблюдая движение линейки при ее колебании, мы сразу можем понять, что здесь происходит. Свободный конец, изначально выдвинутый на большую длину, был вынужден преодолевать довольно большое расстояние, чтобы раскачиваться от крайнего нижнего положения до крайнего верхнего. В точке наибольшего отклонения, то есть непосредственно перед выпрямлением, возникает кольцо звуковой луковицы. Здесь сгущение молекул воздуха максимально. Оболочки луковиц, таким образом, представляют собой зоны сгущения.
Чем дальше линейка перемещается к середине стола, тем короче свободный конец и тем меньше ему остается пространства для движения. Теперь происходят две вещи: размах колебаний линейки становится все уже, а движение при этом ускоряется. В результате зоны сгущения молекул на звуковой луковице располагаются все теснее.
Звуковые волны распространяются вокруг источника, принимая форму луковицы, и чем короче звук, тем меньше слоев у звуковой волны.
В этой главе мы не можем обойти вниманием три физических термина, которые представляют важность для дальнейшего понимания нашей способности слышать. Количество колебаний, повторяющихся за одну секунду, то есть периодичность, с которой, к примеру, линейка совершает полное движение снизу вверх или наоборот, называется частотой. Единица, принятая для ее обозначения, – герц. Одно колебание в секунду – это 1 герц, десять колебаний – 10 герц и так далее. Свыше 1000 герц, чтобы избежать слишком длинных чисел, вводят понятие килогерц. Итак, 1000 герц соответствуют 1 килогерцу (сокращенно 1 кГц). Чем больше число герц, тем плотнее луковица заполнена зонами сгущения и тем выше слышимый нами звук. Пространственное расстояние между зонами сгущения называется длиной волны. Чем теснее друг к другу расположены зоны сгущения, тем выше звук и короче длина волны. Если у вас в голове уже сформировался запутанный клубок вопросов, приглашаю последовать за нами в лабиринт…
Шпаргалка (при необходимости загните здесь уголок)
Лабиринт: фантастические витки
Внутреннее ухо – один из самых сложных и в то же время наиболее чувствительных аппаратов, предназначенных для восприятия окружающего мира. Точнее говоря, это две взаимосвязанные системы восприятия: орган слуха и вестибулярный аппарат.
Первый находится в костной улитке. Она получила название по своему внешнему виду – выглядит, как домик улитки. С ней соединяются полукружные каналы, три дугообразных туннеля, проходящих через пирамиду височной кости. Каналы содержат внутри вестибулярный аппарат и лежат под прямыми углами по отношению друг к другу. В зависимости от угла обзора, один канал занимает почти вертикальное положение, другой – горизонтальное и третий – наклонное.
Сенсорные клетки в слуховом органе и вестибулярном аппарате очень нежные и хрупкие. Поэтому для их защиты все внутреннее ухо располагается внутри специальной части черепа – пирамиды височной кости. Она состоит из самой твердой кости нашего тела, сравниться с которой по прочности может только зубная эмаль. Несмотря на это, пирамида височной кости довольно легкая, потому что содержит множество воздушных пузырьков. Если бы их не было, наш череп казался бы слишком тяжелым для шейных мышц. Кроме того, такая легкая конструкция препятствует передаче через кости слишком большого количества звуков во внутреннее ухо – в конце концов, оно должно концентрироваться на вибрациях барабанной перепонки.
Весь костный лабиринт, то есть улитка и полукружные каналы, в конечном итоге представляет собой не что иное, как искусно смоделированные полости в черепной кости. Через эти костные туннели проходит мембранный лабиринт. Внутри он повторяет наружную форму. Вы можете представить его в виде тонкой трубочки, которая на отдельных участках срослась с внешней костной оболочкой. Толщина ее стенок в некоторых местах представляет собой один слой клеток. Она заполнена жидкостью, называемой эндолимфой, а окружающее пространство – перилимфой. Обе жидкости должны оставаться четко разделенными, чтобы обеспечить функционирование слуха и равновесия. Без защиты пирамиды височной кости тонкая трубочка могла бы легко порваться, что имело бы фатальные последствия.
Что именно происходит во внутреннем ухе при слушании, ни один ученый в мире еще не сумел пронаблюдать. Защитная стенка пирамиды височной кости слишком непроницаема, слуховой орган чересчур маленький, а весь лабиринт излишне чувствителен. Поэтому многие предположения о процессе слушания опираются на научные теории, окончательно не подтвержденные.
Внутреннее ухо – один из самых сложных и в то же время наиболее чувствительных аппаратов, предназначенных для восприятия окружающего мира.
Но что мы, собственно, можем знать о внутреннем ухе при таких обстоятельствах? Большинством полученных знаний мы обязаны таким умникам, как венгерский почтовый служащий Георг фон Бекеши. Его работа была связана с наладкой телефонных линий, но он стремился как можно лучше разобраться в сути проблемы и включил ухо в свои рассуждения как конечный пункт назначения каждой телефонной связи. То, что ученый обнаружил, коренным образом изменило наше знание о слухе. Его открытие оказалось настолько значимым, что он стал первым и единственным человеком, получившим за тему слуха Нобелевскую премию в области медицины. При этом Георг фон Бекеши был физиком, а не медиком. Однако его полная приключений история жизни доказывает, что творческий ум сумеет достичь максимальных успехов, только выйдя за пределы своей научной дисциплины.
Нобелевская премия за пластиковую трубку с резиновой лентой
В начале XX века ученые лишь строили предположения о том, что происходит во внутреннем ухе. Благодаря защитному экрану в виде пирамиды височной кости, лабиринт оставался темной лошадкой. И хоть основное строение уже было известно, на живых людях процесс слушания пронаблюдать не удавалось, как и по сей день.
Тем не менее к тому времени удалось выяснить, как звук подается на улитку через барабанную перепонку и слуховые косточки. Также было известно, что за преобразование звука в электрические сигналы отвечают около 16 тысяч волосковых клеток внутри улитки. Они располагаются четырьмя рядами внутри мембранной части на всем протяжении двух с половиной витков улитки. Было высказано справедливое предположение, что каждый ряд волосковых клеток отвечает за передачу звуков с разной высотой. Правда, оставалось загадкой, каким образом волосковые клетки могут различать высокие и низкие частоты, ведь все звуковые волны всегда проходят через всю улитку. Следовательно, практически любой шум должен стимулировать все волосковые клетки, в результате чего было бы невозможно различить разные звуки. Вы можете представить это как игру на всех клавишах пианино одновременно – невозможно разобрать отдельные ноты или даже мелодию.