Оглавление.
Глава I. Для чего нужны звуковые волны.
5. Инфразвук и его использование
Глава III. Биологическая связь
Заключение
Список использованных источников и литературы
Приложения
Нам давно известно, что летом, особенно в лесу, нам не дают покоя комары. Не так страшны их укусы, как неприятен испускаемый ими звук. Так же неприятны звуки бормашины в зубном кабинете, звуки электрического звонка в квартире, в школе, которые мы слышим не менее 14 раз в день.
И когда мы в девятом классе мы получили учебник «Физика – 9», мы начали знакомиться с его разделами, нас сразу заинтересовал материал «Акустические волны». Так мы определились с темой нашего проекта. С наиболее интересными моментами этой темы мы хотим вас познакомить.
Цель исследования:
1. Изучить влияние звуковых колебаний на людей и животных.
2. Пронаблюдать за их поведением.
Задачи исследования:
1. Определить, при какой частоте звуковых колебаний у людей и животных появляется раздражение.
2. Наблюдать за их поведением в этот момент.
3. Выявить индивидуальные особенности поведения.
4. Установить общие закономерности.
ГлаваI. Для чего нужны звуковые волны
Живые организмы воспринимают свет, который является электромагнитной волной. Скорость распространения света на пять порядков больше, чем скорость звука, и, следовательно, энергия будет передаваться значительно быстрее. Природа распорядилась так, что животные для коммуникации используют именно акустические волны. Вопрос о том, почему это так, увел бы нас далеко от физики акустических волн, но, вероятно, здесь не последнюю роль с точки зрения физики играют малые энергетические затраты, практически ненаправленное излучение, из-за дифракции длинных звуковых волн возможность коммуникации при отсутствии прямой видимости, достаточные для этих целей дальности распространения. Кроме того, что очень важно, существование одновременно и зрительного и слухового каналов восприятия у живых существ значительно повышает надежность и точность передачи и приема информации.
В случае, когда нужно определить дефект (например, раковину внутри отливки, включение инородных материалов в металл и т.д.), применяется акустический эхо-импульсный метод, аналогичный знакомому вам методу радиолокации. В исследуемую среду посылается не электромагнитный, а акустический короткий импульс. На границе дефекта изменяется акустическое сопротивление, из-за чего происходит отражение и рассеяние звука. Отражение в обратном направлении дает эхо-импульс. Возникновение эхо-импульса, вызванного отражением не от границ среды, свидетельствует о наличии дефекта внутри. По времени прихода эха, зная скорость звука, можно определить положение дефекта. Такого типа ультразвуковые дефектоскопы широко используются в промышленности. Эхо-импульсная дефектоскопия часто называется активной дефектоскопией: для обнаружения дефекта необходимо излучать в среду ультразвуковой импульс.
Пассивный акустический анализ издавна применяется в медицине: наверное, каждого из вас осматривал врач с помощью простейшего акустического прибора — фонендоскопа, позволяющего прослушивать сердцебиение, шумы в легких и т. д. Современная медицина располагает куда более совершенными приборами, значительное место среди которых занимают ультразвуковые
Приборы, основанные на поглощении ультразвука тканями человека, применяются для внутреннего прогрева. Широкий класс ультразвуковых приборов разработан для исследования сердечной деятельности.
В процессе эволюции у человека вырабатывалась способность воспринимать лишь жизненно важные звуки, ограждая нервную систему от незначительных по интенсивности звуков, не превышающих нижний абсолютный порог чувствительности, а также от звуков, частоты Колебаний которых лежат за пределами интервала 16—20000 Гц (инфра- и ультразвуки). Важной характеристикой звука служит и верхний абсолютный порог чувствительности, который характеризует максимальную силу раздражителя, способную вызвать болевое ощущение и, следовательно, опасную для организма.Тот факт, что инфра- и ультразвуки не воспринимаются слухом так же, как и любые звуки, интенсивность которых меньше нижнего порога чувствительности, не означает, что они вообще не влияют на организм человека. «Еще в 1929 году американский физик Роберт Вуд обнаружил ... странное свойство инфразвуковых колебаний— способность вызывать у людей панический страх»3.
Действуют на организм человека и ультразвуки. Надо также иметь в виду, что неслышимые человеком инфра- и ультразвуки хорошо слышат и используют некоторые виды животных. Ультразвуковые волны обладают рядом специфических свойств благодаря которым они находят широкое применение на практике Так, ультразвуковые волны позволяют получать направленные звуковые пучки (чем меньше длина волны по сравнению с вибрато ром, тем большую направленность имеет луч). Это свойство используют, в частности, в эхолокации и дефектоскопии.
Первый локатор был сконструирован известным французским физиком П. Ланжевеном во время первой мировой войны для обнаружения немецких подводных лодок. С помощью ультразвуковых локаторов можно просто и быстро исследовать рельеф дна океана. Соединенный с локатором самописец сразу вычерчивает профиль дна под килем судна. С помощью звуколокатора советские ученые исследовали дно мировых океанов, открыв новые подводные впадины и горы, например огромный хребет в Северном Ледовитом океане, названные хребтом Ломоносова".
В основе дефектоскопии также лежит принцип эхолокации. Ультразвуки ускоряют или замедляют протекание некоторых химических реакций, действуя или как своего рода катализаторы, или же как ингибиторы. Одна из причин этого — значительные местные сжатия и нагревания. Так, например, под действием ультразвука в растворе иодистого калия появляется свободный иод.
Эхолокацией пользуются певчие птицы, например кулики. Застигнутые в полете туманом или темнотой, они «ощупывают» своим криком землю. Прислушиваясь к эху, пернатые путешественники узнают о высоте полета, о препятствиях на их пути. Ориентируются в пространстве с помощью эхолокации также морские свинки, сумчатые летяги, крысы и другие грызуны.
Длительное время казалась весьма загадочной способность летучих мышей летать в абсолютной темноте, их виртуозное умение ловить на ходу между деревьями, между мелкими ветвями крохотных комаров, бабочек, жуков, поденок и других насекомых, не натыкаясь на встречные препятствия. В 1793 г. выдающийся итальянский ученый натуралист Ладзаро Спаллан-цани проделал такой опыт: ослепил летучую мышь и выпустил ее в темную лабораторию. Результат эксперимента оказался поразительным: ослепленная летучая мышь летала по комнате так же свободно, как и зрячая, не задевая ни одного из хитро расставленных в лаборатории предметов. Через некоторое время ученый лишил зрения нескольких летучих мышей и выпустил их на волю.
Слепота ничуть не мешала им на лету настигать добычу — желудки ослепленных летучих мышей были набиты остатками насекомых так же туго, как и у зрячих экземпляров. Значит, шестое чувство помогает нетопырям хорошо ориентироваться и маневрировать в темноте, обнаруживать и ловить без промаха в воздухе насекомых! Опыты Спалланцани повторили в Швейцарии. Однако в этих экспериментах были заткнуты ватой уши летучих мышей, и животные стали натыкаться на все встречавшиеся при полете преграды. Теперь главный секрет ориентации летучих мышей можно считать раскрытым: они обладают поразительными по своему совершенству органами ультразвуковой локации, заявили ученые. И действительно, точная электронная аппаратура позволила исследователям установить, что летучие мыши испускают неслышимые для человека ультразвуки и воспринимают их эхо, которое в полной темноте предупреждает о препятствиях или близкой добыче. Испуская и улавливая ультразвуковые волны, летучая мышь как бы ощупывает окружающее пространство. Своеобразный локатор помогает ей не только определять направление и расстояние до предметов, но и различать их между собой. Каковы же конструкция и режим работы природного локатора летучей мыши? Оказывается, ее гортань устроена наподобие обычного свистка. Через этот «свисток» зверек выдыхает из легких воздух с такой силой, что он вырывается наружу, словно выброшенный взрывом. Вихрем проносясь через гортань, воздух рождает звук очень высокой частоты — от 50 до 100 кгц.
Результаты сравнения биологической и технической локационных систем не могут не вызвать у каждого инженера, работающего в области локационной техники, заслуженного уважения к «живому механизму», который выработался под давлением естественного отбора в процессе эволюции, и горячего желания воспроизвести его в металле для пользы человечества. Первый шаг в этом направлении сделал профессор Кентерберийского университета Новой Зеландии Лесли Кэй. Он задался гуманной целью облегчить участь слепых людей, вырвать их из плена вечного мрака, открыть невидящим окно в окружающий их мир.
У человека, потерявшего зрение, как известно, всегда сильнее обычного развиваются другие органы чувств. Обостряется, в частности, слух. Учитывая это, ученый решил создать прибор, который помогал бы слепому «видеть» окружающую обстановку ушами, пользоваться языком эха. В 1966 г. на основе принципа действия природного радара рукокрылых Кэй сконструировал устройство, названное им «зонаром» (от слова «зондировать»). Экспериментальная модель радара-поводыря состояла из двух частей: миниатюрного передатчика и электронного прибора, заключенного в ящик. Слепой должен был держать передатчик в руках и пользоваться им как карманным электрическим фонарем. Зонар посылал в окружающую среду пульсирующие пучки ультразвуковых волн, подобных тем, что испускает летучая мышь. Возвращающееся эхо накладывалось на исходящие импульсы и создавало «биения» звука, легко воспринимавшиеся человеком через наушники. Высота звука указывала на расстояние до предмета. Испытания первого, опытного образца ультразвукового поводыря Л. Кэя показали, что с его помощью можно обнаружить столбы, ступеньки, край тротуара, люки на мостовой и т. п. Однако прибор получился довольно сложным и громоздким, требующим длительной практики для его эффективного использования. Двумя годами позже Л. Кэй, используя известный принцип эхолокации летучих мышей, построил новый, более эффективный и компактный радар для слепых. Этот портативный прибор, похожий на электрический фонарик излучает ультразвуковые колебания, улавливает их отражение и преобразует в звуковой сигнал. Принимая на слух варьирующие по тону сигналы, человек, лишенный зрения, может составить представление о встречающихся на пути препятствиях, отличать дорожку, посыпанную гравием, от лужайки, покрытой газоном. На расстоянии 3—7 м «фонарик для незрячих» позволяет, например, как показали опыты, определить по звуку принятого сигнала, где находится металлическая дверная ручка, а значит, и замочная скважина. Первые образцы этого своеобразного радара для слепых, продемонстрированные на выставки в Лондоне, привлекли внимание многих лиц и организаций, были приняты на испытание 25 странами.
Глава III. Биологическая связь
В древних легендах знание языка животных рассматривалось как необходимый атрибут абсолютной мудрости. Общеизвестно предание, согласно которому библейскому мудрецу Соломону достаточно было надеть магическое кольцо, чтобы разобраться, о чем судачат сороки, мурлычет кошка или переговариваются вернувшиеся с пастбищ стада. Притча утверждает, что царь не только понимал животных, но и беседовал с ними на их языке.
Любую легенду мы обычно воспринимаем как вымысел, выдумку, как нечто невероятное. А вот конкретно к легенде, о которой идет речь у Конрада Лоренца, всемирно известного австрийского зоолога, посвятившего всю свою жизнь изучению поведения разнообразных живых существ, совсем иное отношение. «Я склонен принять эту сказку за истину, — пишет ученый в своей книге «Кольцо царя Соломона». — У меня есть все основания верить, что Соломон действительно мог беседовать с животными, и даже без помощи волшебного кольца, обладание которым приписывает ему легенда. Я сам могу делать то же самое, не прибегая к магии, черной или какой-либо иной... Я нисколько не шучу. В том случае, если «сигнальный код» общественных видов животных вообще можно назвать языком, тогда человек, изучивший его «словарь», сможет понимать животных…»
Несомненно, у многих животных есть свой «язык». Но свою функцию — функцию носителя информации, средства общения — он в конечном счете выполняет: позволяет осуществлять контакт между отдельными особями, заявить о притязаниях на определенную территорию, на руководство группой или на единоличное обладание пищей, координировать действия всего сообщества при поисках пищи и обороне от врагов, передавать «традиции», принятые в сообществе от поколения к поколению, выразить состояние «радости», удовольствия, тревоги, испуга, страха, нетерпения, гнева, тоски, беспокойства, мук одиночества, голода, оповестить сородичей о приближении врага и т. п.
Профессор Конрад Лоренц установил, что продолжительное гусиное гоготание или «залп» гогота, состоящий более чем из шести слогов «га-га-га-га-га-гага», имеет вполне определенный смысл: «Здесь хорошо. Еды много. Давайте останемся тут». Если тирада состоит из шести слогов, это означает: «Травы на лугу мало. Давайте пощиплем ее и не спеша тронемся дальше». Пять слогов «га-га-га-га-га» переводятся так: «Надо прибавить шагу». Четыре слога — «Полный ход, вытягивай шею вперед». Три слога означают: «Беги со всех ног. Будь начеку. Наверное, придется взлетать». Чтобы сообщить, что бежать нужно изо всех сил, ко не взлетать, трехсложное «га-га-га» заменяется на «га-ги-га», произнесенное с умеренной громкостью на высокой ноте. Сигнал тревоги у гусей, завидевших, скажем, собаку, звучит как односложный, не очень громкий носовой возглас «ра». Услышав такой сигнал, вся стая взлетает, шумно хлопает крыльями. Отбой тревоги подается длительным гоготанием.
Прежде, чем приступить к экспериментам данной темы, мы определились в методике исследования.
1. Определить, при какой частоте звуковых колебаний у людей и животных появляется раздражение.
2. Наблюдать за их поведением в этот момент.
3. Выявить индивидуальные особенности поведения.
4. Установить общие закономерности.
С этой целью мы отправились на станцию юных натуралистов, которая расположена рядом со школой. Мы там неоднократно были и знали ее обитателей. Взяли с собой звуковой генератор, динамик и установили внутри помещения, где в клетках сидели животные.
Меняя частоту колебаний звукового генератора, но не меняя громкости, мы наблюдали за их поведением. И установили, что они реагируют по-разному на различные частоты звуковых колебаний (приложение №1).
Далее подобный эксперимент мы проводили с обучающимися и учителями школы. Установив аппаратуру в кабинете физики, мы приглашали учеников, и, меняя частоту звукового генератора, наблюдали, как они реагировали на различные частоты звуковых колебаний. По результатам исследований, мы составили таблицу, где обучающиеся разделены на три возрастные группы (приложение №2).
Ученики начальной школы обучения начали закрывать ушки при частоте 200Гц, а при частоте 1200Гц наибольшая часть учащихся закрыла уши, следовательно, эта частота является для них высшим порогом раздражения. Обучающиеся 2-ой возрастной группы начали закрывать уши при частоте 400Гц (девочки), а мальчики при частоте 1000Гц. Наибольшая частота звука, которое вывело раздражение, это 12000Гц и 16000Гц, причем мальчики реагировали иначе, они просили отключить генератор. Старшеклассники начали реагировать на звуки частотой 500Гц, а наибольшая частота, которая вызвала раздражение – это 12000Гц и 16000Гц. Причем они реагировали громкими голосовыми возмущениями.
Эксперимент с учителями нашей школы мы проводили на педсовете по итогам первой четверти. Установили, что они реагируют на звуковые колебания почти как ученики младшей группы. Основная часть закрыла уши руками, а некоторые требовали отключить генератор.