Поющие пески

Содержание

Исследование поющих песков

« — Когда боги смеются, берегись! — предостерегающе воскликнул старик.

Он начертил пальцем круг на песке, и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени, — песок взревел и затрубил.

Пеон, по примеру отца, тоже вступил в грохочущий круг, внутри которого старик указательным пальцем выводил какие-то каббалистические фигуры и знаки (…)

— Вздор! — возразил Генри и пошевелил песок ногой; послышался рев.

— Это поющий песок. Мне довелось видеть такой на Кауайе, одном из Гавайских островов, — дивное место для туристов, уверяю вас. Только здесь песок лучше и куда голосистее.

— Ученые придумали десяток мудреных теорий, объясняющих это явление. Я слышал, что оно наблюдается и в других местах земного шара. В таких случаях нужно брать в руку компас и следуя ему, пересекать пески. Эти пески хоть и лают, но, к счастью, не кусаются».

Так красочно описывал поющие пески Джек Лондон в 1919 году в романе «Сердца трех». Однако герой романа Генри Морган не вполне прав: хотя поющие пески действительно встречаются в разных местах земного шара, теорий, объясняющих этот феномен, не так уж много, хотя поющие пески были впервые описаны еще в середине XIX века.

Поющие пески встречаются гораздо чаще, чем это может показаться на первый взгляд. Например, мне они встречались на северном берегу Чудского озера и на берегу Оки близ Серпухова.

Правда, эффект был не таким сильным, как в романе Джека Лондона, но впечатление он производит: песок издает ровный певучий звук, если проводить по нему палкой или рукой.

Интересно, что на Чудском озере песок переставал звучать на определенном расстоянии от воды, причем границей между поющим и немым песком служила гряда мелкого мусора, выброшенного волнами из озера.

Исследование поющих песков

Исследованию поющих песков посвящен ряд научных работ, в которых это явление изучалось экспериментально и теоретически; например, в «The Journal of the Acoustical Society of America» опубликованы две обстоятельные статьи японского физика Х. Такахары, исследовавшего поющие пески, обнаруженные в префектуре Киото.

Звук, издаваемый песком, он регистрировал с помощью микрофона, связанного с осциллографом, и затем анализировал осциллограммы. Вот основные результаты его исследований.

Во-первых, звук, издаваемый песком, постепенно угасает: песок как бы устает и теряет голос; но замолчавший песок можно вновь оживить, прокипятив его с водой или растворами соляной или плавиковой кислот, а затем высушив, оберегая от сотрясений.

Во-вторых, разные образцы поющих песков, возбуждаемых различными способами, издают звук с примерно одинаковой частотой, лежащей в области 500 Гц (рис. 1); такой песок состоит из частичек примерно одинаковых размеров и довольно правильной формы.

рис. 1.

Форма звуковых колебаний поющего песка по результатам опытов Х. Такахары. Частота основного тона — около 490 Гц.

В-третьих, звук, похожий на звучание поющих песков, издают и мелкие стеклянные шарики, имеющие примерно те же размеры, что и частички поющего песка, а также близкие ему по химическому составу.

Как можно объяснить все эти явления? Песок можно уподобить очень вязкой жидкости, в которой скорости частичек плавно изменяются от нуля в глубине до величины V, с которой перемещается (например, рукой) поверхностный слой.

При этом каждая из песчинок перемещается относительно соседней песчинки, расположенной ниже или выше, с малой скоростью, даже если скорость песка на поверхности V велика.

Чтобы понять, как рождается звук, достаточно рассмотреть всего две частички, движущиеся относительно друг друга. Для пары стекло — стекло зависимость коэффициента трения μ от скорости v имеет вид, изображенный на рис. 2.

рис. 2.

Зависимость коэффициента трения от скорости движения двух тел при наличии участка «отрицательного трения».

Обратим внимание на то, что на этой кривой есть своеобразный участок (от v₁ до v₂), когда с ростом скорости коэффициент трения убывает. Специалисты называют такой случай «отрицательным трением», потому что производная μ по v здесь отрицательна, хотя сама по себе сила трения, конечно, везде положительна.

Если записать сумму всех сил, действующих на песчинку, и решить уравнение относительно координаты, то получится результат, который предусматривается теорией колебаний.

А именно: оказывается, что в такой системе могут возникать устойчивые автоколебания, называемые так потому, что они обеспечиваются наличием в системе обратной связи.

Примером таких автоколебаний могут служить звуки, издаваемые стеклом, по которому проводят лезвием ножа или мокрым пальцем; каждый, кто знаком этим явлением, знает, что звук возникает лишь при определенной скорости движения ножа или пальца, когда и соблюдаются условия, необходимые для возникновения автоколебаний.

Поскольку частота автоколебаний зависит, помимо скорости, только от упругих свойств тела и коэффициента трения, можно подозревать, что если взять два любых стеклянных тела и тереть их друг о друга с определенной скоростью, то возникнут автоколебания с периодом, близким периоду звуковых колебаний, генерируемых поющим песком.

Ставим простой эксперимент: берем две бутылки из-под молока и с помощью несложного приспособления начинаем тереть их друг о друга (рис. 3).

рис. 3.

Схема эксперимента автора по генерации звука двумя трущимися бутылками.

При этом возникает характерный звук, частота которого мало зависит от скорости и составляет около 400 Гц (рис. 4).

Но может быть, все дело не в автоколебаниях, а в том, что бутылки просто звенят, как колокольчики?

Проверяем частоту собственных колебаний бутылок, ударяя по ним молоточком, — в этом случае звук имеет частоту около 3 кГц.

То, что на возникновении звука не сказываются резонансные свойства бутылок, подтверждается тем, что результаты оказываются прежними и в том случае, если для опытов используются бутылки, заполненные водой. Аналогичные результаты дают и другие стеклянные тела.

рис. 4.

Форма звуковых колебаний, генерируемых трущимися бутылками. Частота основного тона — около 400 Гц.

Интересно, что в ходе опыта с бутылками звук постепенно ослабевает, так как их поверхность становится шероховатой. То же самое, как отмечалось, происходит и с поющим песком при лабораторных экспериментах.

В природе же прибой полирует песчинки и сортирует их по размерам именно поэтому поющими свойствами обладает лишь узкая полоска сухого песка у берега.

Там же, где песок влажный, а также там, куда вообще никогда не докатываются волны (как в зоне за полоской мелкого мусора на берегу Чудского озера), песок безмолвен.

Итак, расчеты и опыты свидетельствуют о том, что музыкальный звук, издаваемый поющим песком, обусловлен автоколебаниями, возникающими при трении песчинок.

Русаков С. А.