Квант
Основные статьи

Почему плохо кричать против ветра?

Коткин Г. Л.

5

Г. Комкин

Почему плохо кричат против ветра?

Почему мы плохо слышим звук, если ветер дует от нас к его источнику?
На первый взгляд, это ясно. Против ветра близке падает брошенный камень, медленнее летит птица… Пробуем, однako, проверти колчестvenную оценку.

Пусть скорость звука относительно воздуха равна cc, а скорость ветра uu. Тогда скорость звукового сигнала относительно земли равна ∣c∣−∣u∣|c| - |u| и время его распространения на расстояние ll равно t=l∣c∣−∣u∣t = \frac{l}{|c| - |u|}. За это время сигнал проходит относительно воздуха расстояние

l′=∣c∣t=l∣c∣∣c∣−∣u∣.l' = |c| t = \frac{l |c|}{|c| - |u|}.

Именное величины l′l' определяет ослабление звука: нахождение на расстоянии ll от источника звука (против ветра), мы слышим звук таким же, как если бы ветра не было, а мы находились на расстоянии l′l'.

Прием ∣u∣=15|u| = 15 м/c (довольно сильный ветер), ∣c∣=330|c| = 330 м/c, l=50l = 50 м. Тогда l′≈52l' \approx 52 м. Ветер «отодвигает» нас примерно на 2 м. Это мы, пожалуйста, и не заметили бы. В действительности, влияние ветра города сильнее. Следовательно, надо искать другое обьясение.

Обратим внимание на тот факт, что скорость ветра не одинакова на разных высотах — она растет с увеличением высоты над уровнем земли. Каждый бы, это никак не должно повлиять на распространение звука, когда источник и приемник расположены на одной высоте. Если же приемник (или источник) звука опустится, часть пути звуковой сигнал будет проходить в слоях воздуха, движущся с меньшей скоростью, и придет менее ослабленный. На самом же деле, если случаяющий (или криащий) человек присдает, слышимость только ухудшится. И все-tаки дело именно в зависимости скорости ветра от высоты.

Чтобы легче было разобраться в картине распространения звука, расстоянием сначала такой пример. Представим себе motorную лодку JJ, идущую со скоростью cc относительно воды под углом к течение (рис. 1). Пусть средняя в ней человек (будем называть его капитаном) «целит» на видимую где-то вдали заводскую трубу TT. Если бы течение не было, лод-

6

ка пристала бы к берегу в точке AA. В действительности, скорость лодки относительно берега v⃗=c⃗+u⃗\vec{v} = \vec{c} + \vec{u}. Если бы скорость течения u⃗\vec{u} была неизменной вплоть до берега, лодка пристала бы в точке BB. Но скорость течения убивает по мере приближения к берегу, поэтому изменяется величины и направление скорости лодки v⃗\vec{v}, так что она движется по кривой JDJD.

Предположим, что капитан ненадолго задремал, но продолжает удерживать руль в прежнем положении. Пока он спит, посмотрим на плывую по течению льдину CΠC\Pi. Эта льдина плывет вращаясь: ее приводит во вращение вода, которая у одного края льдины (CC) от нее отстает, а у другого края (Π\Pi) — обгоняет ее. То же самое происходит и с лодкой. Она будет поворачиваться, при этом будет изменяться направление скорости c⃗\vec{c} (несмотра на неподвижно удерживаемый руль). Проснувшись, капитан увидит, что лодка, описавшая дугу JEJE, удаляется от берега.

Тепер нам нетрудно изобразить и картину распространения звуковых сигналов. Их траектории («лучи») искривляются, подобно траектории лодки со спящим капитаном (рис. 2; ветер дует справа налево). При этом область MLNMLN оказывается «мертвой зоной»: в нее не заходят «лучи» звука. Человек в этой области почти не слышит звука от источника SS. (Некоторые слышимость в «мертвой зоне» связана с рассеянием звука при отражении от поверхности земли, а также с дифракцией звука.)

Вспомним, однако, что мы обнаружили несостояльность первого обьяснения явления при попытке количественной оценки. Попробуем проверить количественную оценку и для второго обьяснения. Оценим расстояние до «мертвой зоны». Расстояние «лучи» SLMSLM (см. рис. 2), будем считать его направление близким к горизонтальном. Выделим мальй участок ABAB волновой поверхности, будем считать его плоским и расположенным вертикальным (рис. 3). Через время Δt\Delta t этот участок

Рис. 2.

займет положение A′B′A'B', причем

∣AA′∣=(∣c⃗∣−∣u⃗A∣)Δt,|AA'| = (|\vec{c}| - |\vec{u}_A|) \Delta t,

∣BB′∣=(∣c⃗∣−∣u⃗B∣)Δt|BB'| = (|\vec{c}| - |\vec{u}_B|) \Delta t

(u⃗A\vec{u}_A и u⃗B\vec{u}_B — скорости ветра на высоте точек AA и BB). При этом расматривается участок повернется на малый угол α\alpha:

α≈tgα≈∣B′B′′∣∣A′B′′∣=\alpha \approx tg\alpha \approx \frac{|B'B''|}{|A'B''|} =

=(∣c⃗∣−∣u⃗A∣)−(∣c⃗∣−∣u⃗B∣)Δh=∣Δu∣ΔtΔh,= \frac{(|\vec{c}| - |\vec{u}_A|) - (|\vec{c}| - |\vec{u}_B|)}{\Delta h} = \frac{|\Delta u| \Delta t}{\Delta h},

где ∣A′B′′∣=∣AB∣=Δh|A'B''| = |AB| = \Delta h и Δu=u⃗B−u⃗A\Delta u = \vec{u}_B - \vec{u}_A.

Таким образом, участок волновой поверхности повернется с угловой скоростью

ω=αΔt≈∣Δu∣Δh.\omega = \frac{\alpha}{\Delta t} \approx \frac{|\Delta u|}{\Delta h}.

С такой же угловой скоростью вращается и вектор скорости c⃗\vec{c} — скорости звука относительно воздуха.

Будем считать, что величины ω\omega построенная вдоль всего «луча», тогда расматривается участок SLMSLM (см. рис. 2) можно считать дугой окружности. Скорость звукового сигнала

7

Результат, есть много причины, ухудшающих clsимость при ветре, но приведенный расчет дает увеличность, что главную причину мы указали правильно.

У практики

  1. В летний полдень жук решил полететь на Солнце и полетел со скоростью ∣v⃗∣=∣c⃗∣−∣u⃗∣≈∣c⃗∣|\vec{v}| = |\vec{c}| - |\vec{u}| \approx |\vec{c}| можно связать с радиусом rr этой окружности: ∣v⃗∣=ωr|\vec{v}| = \omega r. Отсюда (рис. 4)
    ∣SO∣=∣OL∣=r=∣v⃗∣ω≈∣c⃗∣Δh∣Δu∣.|SO| = |OL| = r = \frac{|\vec{v}|}{\omega} \approx \frac{|\vec{c}| \Delta h}{|\Delta u|}.
    Из треугольника OSF
    ∣SF∣=∣OS∣2−∣OF∣2=r2−(r−h)2≈2rh≈2∣c⃗∣hΔh.|SF| = \sqrt{|OS|^2 - |OF|^2} = \sqrt{r^2 - (r - h)^2} \approx \sqrt{2rh} \approx \sqrt{2|\vec{c}|h \Delta h}.
    Итак, слушатель, находящийся на той же высоте hh, что и источник звука, попадает в «мертвую зону» на расстоянии
    ∣SS′∣=2∣SF∣≈22∣c⃗∣hΔh.|SS'| = 2|SF| \approx 2\sqrt{2|\vec{c}|h \Delta h}.
    Прием ∣Δu∣Δh≈∣u⃗∣h\frac{|\Delta u|}{\Delta h} \approx \frac{|\vec{u}|}{h}. Тогда окончательно
    ∣SS′∣≈2h2∣c⃗∣∣u⃗∣≈3h∣c⃗∣∣u⃗∣.|SS'| \approx 2h \sqrt{\frac{2|\vec{c}|}{|\vec{u}|}} \approx 3h \sqrt{\frac{|\vec{c}|}{|\vec{u}|}}.
    Для h=1,5h=1,5 м, ∣c⃗∣=330|\vec{c}| = 330 м/c и ∣u⃗∣=15|\vec{u}| = 15 м/c получаем
    ∣SS′∣≈20|SS'| \approx 20

вполне разумный результат. Точный расчет формы «звуковых лучей» приводит пример к такому же результату.