А что делать, если нам надо указать очень маленькое число? Тогда тоже ставят маленькую циферку степени, но со знаком минус. И она означает количество цифр после запятой.
Например, десять в минус первой степени 10-1 — это одна десятая часть: 1/10 = 0,1.
А сколько будет десять в минус шестой — 10-6? Шесть нулей — это миллион. Значит, речь идет об одной миллионной доле: 0,000 001.
А 10-12 — это одна триллионная часть (в триллионе двенадцать нулей).
Теперь вы владеете «нотной грамотой науки». И сами запросто определите, что такое 2 × 103, например. Правильно, это два, умноженное на десять в третьей степени (то есть на тысячу). То есть просто 2000.
Если у вас есть 5 тысяч рублей, можете в строгом соответствии с научными правилами назвать их пятью килорублями или записать как 5×103 руб. Шикарно!
Посмотрите на картинку ниже. На ней белым фоном выделен тот диапазон частот, который слышит наше ухо — от 20 Гц до 20 тысяч Гц. А также показано, в каком диапазоне издают звуки различные музыкальные инструменты и некоторые животные. Низкие звуки, то есть звуки малой частоты, мы воспринимаем, как протяжный гул, а высокочастотные — как противный тонкий писк. У мамы частота звука гораздо выше, чем у папы, поэтому ее голос тоньше и визгливее. А у папы солидный бас или баритон, потому что мужской голос имеет низкую частоту и, соответственно, выглядит солиднее и убедительнее. И кулаки у папы больше.
Самый богатый инструмент из нарисованных на картинке — арфа. Арфа издает звуки наиболее широкого диапазона — гудит толстыми струнами от 30 герц и звенит самыми тонкими на 3000 герцах.
С другими инструментами, а также собачками и каркающими воронами тоже все ясно. А вот кузнечики, дельфины и летучие мыши умеют, как видите, издавать не только такие звуки, которые мы слышим (в белом поле), но и лежащие за пределами порога нашей слышимости (в сером поле).
Вот дельфин. Он издает звуки примерно от 5 тысяч герц до 180 тысяч! Таких звуков мы слышать не можем.
Издаваемые звуки и слышимый человеком диапазон
Начнем с высоких нот. По мере роста частоты звук постепенно истончается, переходит в противный писк и, наконец, перестает быть слышным, переходя в ультратонкую область.
В одном из восточных храмов прихожан поражал такой фокус — в металлический чан наливают воду, потом проводят по краю чана мокрыми пальцами, и на глазах у изумленной публики вода в чаше вдруг вскипает! Она реально начинает бурлить. И бурлит, пока водишь пальцами по краю сосуда.
Причина явления — ультразвук. Емкость сделана так, что трение по ее краю пальцем производит в металле звуковые волны ультразвуковой частоты. Металл передает свои колебания воде, и она начинает бурлить. Никаких чудес, сплошная физика.
Вообще, ультразвук «любит» твердое. Короткие волны, то есть волны высокой частоты, затухают быстрее, чем волны длинные (низкочастотные). Так, звук с частотой 10 000 герц поглощается в 100 раз сильнее, чем звук с частотой в 1000 герц. Но при этом твердое лучше проводит звук, чем жидкое и газообразное. Поэтому предпочтительная для ультразвука среда — кристаллические структуры, например, металл.
Максимальная частота ультразвука, которую удалось получить ученым — 25 миллиардов герц.А максимальная теоретически возможная — 100 миллиардов Гц. Волны с большей частотой не смогут распространяться даже в твердой среде, поскольку будут сразу затухать прямо возле источника колебаний. Но даже и ультразвук с частотой в 25 млрд герц, полученный в экспериментах, распространяется на совсем малые расстояния, в твердых кристаллах кварца при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю.
Люди вовсю используют ультразвуковые колебания в технике. С помощью ультразвуковых ножей в мастерских режут оргстекло и резину, а на кондитерских предприятиях — торты и пирожные. Казалось бы, зачем резать торты ультразвуковым лезвием, простого ножа что ли мало? А затем, что линия реза при этом получается очень ровная, потому как к лезвию ножа ничего не прилипает, поскольку он вибрирует с высокой частотой.
Как звук сфокусировать в одном направлении? Обычный рупор делает это прекрасно. Звуки отражаются от стенок рупора и не разлетаются в стороны, а направленно летят в сторону «цели».
Короткие волны легче фокусировать, получая направленный звуковой луч. С помощью таких лучей просвечивают металлические детали в поисках внутренних дефектов (трещинок, полостей). Это порой бывает весьма важно — например, на железнодорожном транспорте таким образом ищут дефекты в рельсах, потому что от нагрузок трещинка может увеличиться, рельс лопнет и поезд сойдет с рельсов. Поэтому едет по путям специальный вагон-дефектоскоп, просвечивает ультразвуком рельсы и, при обнаружении дефектного, дает команду на замену. С помощью специального оборудования в металле рельса возбуждают высокочастотные колебания, ловят отраженное эхо и по характеру отраженной волны понимают, есть внутри рельса дефект или нет. Это называется эхолокация.
Эхолокацию используют не только на транспорте, но и в медицине вместо рентгена, просвечивая внутренности.Чем человек хуже рельса? Да ничем он рельса не хуже! Я бы даже сказал, человек лучше рельса! Ну так давайте его просветим ультразвуком да посмотрим, чего там внутри. Интересно же.
Эхолокация — отличная придумка человеческого гения. Только изобрел ее не человек, а сама природа. Животные миллионы лет используют эхолокацию. Самые известные эхолокаторы — дельфины и летучие мыши. Они издают ультразвуковой писк, направляя звуковой луч вперед. Звук, отражаясь от предметов, возвращается обратно в виде эха, и животное понимает: впереди препятствие.
Это, по сути, второе зрение для дельфинов и летучих мышей, которое позволяет ориентироваться там, где не помогает зрение обычное — в мутной воде или в полной темноте подземных пещер, где обитают летучие мыши. Причем звуковое «зрение» настолько тонкое и чувствительное, что с его помощью летучие мыши охотятся на мелких насекомых, а дельфин в мутной воде, ночью или просто с закрытыми глазами может на расстоянии в 20 метров «увидеть» своим ультразвуковым «зрением» дробинку.
Для этого на лбу дельфина под кожным слоем есть особая жировая линза, она служит для фокусировки испускаемого ультразвукового луча. А приемником-пеленгатором отраженной волны служит передняя вогнутая наподобие рефлектора часть черепа дельфина. У дельфинов два органа слуха — обычный звуковой и ультразвуковой.
Дельфины — настоящие звуковые машинки. Они не только издают, но и слышат звуки в широчайшем диапазоне, гораздо шире нашего: дельфины могут воспринимать и инфразвук, и ультразвук. Кроме того, они большие болтуны. У дельфинов есть свой язык, и они все время болтают о чем-то друг с другом, обмениваясь важной и просто эмоциональной информацией. В активном словаре дельфинов около 14 тысяч «слов», с помощью которых они могут передавать друг друг довольно сложные сообщения. Например, в эксперименте два дельфина — обученный и необученный — были разделены непрозрачной, но звукопроницаемой стенкой. Так вот, не показывая, что нужно делать на собственном примере, а используя только речь, обученный дельфин может объяснить необученному, что нужно найти на дне рассыпанные пластмассовые фигурки, выбрать красный треугольник, отнести его дрессировщику и получить за это рыбку.
Причем, любопытно, что речь дельфинов строится точно так же, как наша, она состоит из отдельных звуков, которые складываются в слоги, слоги — в слова, слова — в предложения. Причем у каждого «племени» дельфинов свой собственный диалект. И это еще не все! Дельфины дают друг другу собственные имена. Причем имена эти присваиваются каждому малышу при его рождении. Это было выяснено американскими учеными экспериментально. В океане они отловили стаю из полутора десятков дельфинов и записали звуки, которые те издают. Компьютерный анализ позволил разложить звуки, издаваемые дельфинами, на отдельные слова, а из них вычленить характерные свисты личных имен. Почему экспериментаторы решили, что это имена? Потому что при воспроизведении этих звуков через динамики на них каждый раз откликался только один дельфин — тот, кого позвали.
И это означает только одно — мы не единственный разумный вид на этой планете.
Конечно, вышесказанное не относится напрямую к физике, но не рассказать про это я не мог, потому что дельфины — самые лучшие животные за Земле после нас. Попросите маму купить вам дельфина в зоомагазине…
Свет в воде распространяется плохо, а звук хорошо, поэтому природа и выбрала для ориентировки морских обитателей, помимо зрения, еще и метод улавливания колебаний среды, в которой они плавают. И не прогадала. Если в воздухе звук от сирены мощностью в 100 киловатт (это мощность сотни электрических чайников) слышен на расстоянии в 15 километров, то в воде звук от источника мощностью всего в 1 киловатт, то есть в сто раз меньше, слышен на расстоянии в 35 километров. Вода — прекрасный проводник звука.
Поэтому с помощью ультразвуковой эхолокации дельфины не только ориентируются, но и охотятся. Их ультразвуковой радар посылает вперед луч, которым дельфины сканируют пространство и обнаруживают косяки рыб и отдельных рыбешек. В этом они похожи на летучих мышей, которые охотятся на разных мотыльков и жуков. Мыши тоже «обстреливают» перед собой ультразвуком пространство в полете, засекают мошку по курсу и на лету хватают. «Дальнобойность» этих истребителей насекомых не такая, конечно, как у дельфинов, поскольку в газовой среде колебания распространяются хуже, чем в более плотной, но мышам хватает.