Về Dây Hát, hay Bí ẩn mùa xuân

PHÒNG THÍ NGHIỆM “QUANTA”

Về Dây Hát, hay Bí ẩn mùa xuân

A. SERGEEV, N. ZHDANOVA, I. SERGACHEV, R. STRUNGIS, A. PYATAKOV

KHÔNG GIAN XUNG QUANH CHÚNG TA LÀ ÂM THANH RẤT KHÁC BIỆT. Chúng tôi lắng nghe một số trong số họ với sự quan tâm và chú ý, chẳng hạn như giọng nói của người đối thoại, bản tin và bản nhạc yêu thích. Chúng tôi cố gắng bỏ qua những âm thanh khác, trong khi nhiều âm thanh trong số chúng đáng được quan tâm và hơn thế nữa, thậm chí có thể trở thành chủ đề nghiên cứu khoa học. Chắc hẳn tất cả các bạn đều đã từng đứng cạnh đường ray và nghe thấy tiếng ồn ào của đầu máy xe lửa, tiếng ầm ầm của tàu chở hàng hoặc tiếng bánh xe mài của một đoàn tàu đang chạy chậm lại. Những âm thanh thô ráp, ồn ào này tạo nên những tạp âm quen thuộc của đường sắt và khơi dậy sự khó chịu hơn là sự tò mò của người nghiên cứu. Đồng thời, gần các bản nhạc, bạn có thể nghe thấy những âm thanh khó có thể mô tả là gì khác ngoài sự tuyệt vời. Trong sự im lặng căng thẳng trước khi chuyến tàu tiếp theo đến, hãy lắng nghe âm thanh từ những sợi dây mà bộ thu dòng điện của tàu điện trượt dọc theo. Những âm thanh này sẽ không có điểm gì chung với tiếng click hay những âm thanh gõ cửa quen thuộc khác. Bạn sẽ nghe thấy một tiếng “chirp” vang lên, bao gồm nhiều âm thanh của các cú đánh đơn lẻ, mỗi âm thanh đó, nếu bạn bắt đầu miêu tả nó bằng văn bản bằng chữ cái, sẽ được truyền tải tốt nhất bằng sự kết hợp “tiu”. Điều quan trọng cần lưu ý là loại âm thanh này không chỉ xảy ra khi dây điện va chạm nhau. Bạn có thể nghe thấy chúng nếu ai đó va vào đường ray cách bạn vài trăm mét. Những âm thanh tương tự được tạo ra do tác động của những viên sỏi nhẹ lên lớp băng mỏng vào mùa thu, khi các ao hồ mới bắt đầu được bao phủ bởi một lớp băng. Chúng ta hãy cố gắng tìm hiểu tất cả những hiện tượng này: chúng phát sinh khi nào, chúng có những hình mẫu chung nào? Trong mọi trường hợp, nguyên nhân là do một cú đánh, âm thanh ở gần đó không giống với âm thanh du dương của “tiu”. Nhưng khi chúng ta di chuyển ra khỏi nơi va chạm, âm thanh ngày càng trở nên “đầy màu sắc” về mặt âm nhạc: càng đi xa, âm thanh càng sáng và rõ ràng hơn. Các chuyên gia âm học sẽ cho chúng ta biết rằng sự va chạm tạo ra sóng uốn cong (hình1) trong dây, đường ray, lớp băng và âm thanh đặc trưng của “tiu” được giải thích là do hiện tượng sóng gọi là tán sắc.

Hình 1

Môi trường truyền sóng được gọi là có sự tán sắc nếu tốc độ truyền sóng trong môi trường này phụ thuộc vào tần số của nó. Một ví dụ nổi tiếng về sự tán sắc của sóng điện từ là sự phân hủy ánh sáng trắng thành quang phổ bằng lăng kính. Ánh sáng trắng chứa các sóng có tần số khác nhau, tức là ánh sáng có màu sắc khác nhau. Do sự tán sắc, các sóng tương ứng với ánh sáng có màu sắc khác nhau có tốc độ khác nhau và do đó bị khúc xạ khác nhau bởi thủy tinh của lăng kính. Đây là cách cầu vồng xuất hiện trên màn hình - quang phổ ánh sáng trắng. Từ quan điểm vật lý, sọc cầu vồng trên màn hình thể hiện sự thay đổi mượt mà về tần số ánh sáng cùng với sự thay đổi về tọa độ. Nếu mọi người có thể “nhìn thấy” âm thanh, âm thanh “tiu” của chúng ta sẽ giống hệt như vậy: nó cũng có tần số âm thanh giảm dần theo thời gian. Nhưng về nguyên tắc có thể phân tán sóng âm được không? Khi âm thanh truyền trong không khí, tùy thuộc vào khoảng cách đến nguồn, chỉ âm lượng của nó có thể thay đổi chứ không thay đổi bản chất của âm thanh. Chẳng hạn, thật dễ dàng để tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra, một buổi hòa nhạc piano nếu không khí có đặc tính phân tán: những nốt cao sẽ có tốc độ truyền cao hơn những nốt thấp và đối với những người nghe ngồi giữa khán phòng, âm nhạc sẽ biến thành một mớ âm thanh lộn xộn không thể nhận ra. Mâu thuẫn nảy sinh: một mặt âm “tiu” rất giống với biểu hiện của sự tán sắc, mặt khác kinh nghiệm hàng ngày cho chúng ta biết rằng không có sự tán sắc của sóng âm. Chìa khóa của giải pháp nằm ở chỗ hầu hết các vật thể xung quanh chúng ta không phải là môi trường đồng nhất vô hạn, như không khí, mà có hình dạng cụ thể. Tất cả những vật thể này đều có ít nhất một kích thước lớn hơn nhiều so với những vật thể khác và ít nhất một vật thể nhỏ hơn nhiều so với bước sóng uốn cong. Những vật thể mở rộng như vậy là các ống dẫn sóng, tức là các kênh mà sóng có thể truyền qua. Ống dẫn sóng âm khác với môi trường không giới hạn bởi sự hiện diện của các hiện tượng bất thường và mô hình truyền sóng đàn hồi thú vị. Sự phân tán là một trong những hiện tượng như vậy. Sự va chạm kích thích nhiều dao động có tần số khác nhau và một nhóm sóng bắt đầu truyền dọc theo ống dẫn sóng. Sự tán sắc xảy ra khi sóng tần số cao truyền nhanh hơn sóng tần số thấp. Điều này dẫn đến việc ở khoảng cách rất xa, sóng tần số thấp tụt hậu đáng kể so với sóng tần số cao và âm thanh khi va chạm bị “kéo dài”, biến thành âm thanh “tiu” quen thuộc. Đây là lời giải thích định tính về hiện tượng này, nhưng chúng tôi muốn hiểu nó chi tiết hơn, thu được các mối quan hệ định lượng. Dễ hiểu rằng việc tiến hành các thí nghiệm quy mô đầy đủ (tức là trong điều kiện tự nhiên, không phải trong phòng thí nghiệm) là rất khó: tàu liên tục bám theo đường ray, dây điện (theo quy luật) ở dưới điện áp cao và việc lựa chọn băng mỏng đồng nghĩa với việc bị ràng buộc với điều kiện thời tiết hiếm gặp. Tôi muốn có một cơ thể rắn chắc mở rộng để dễ dàng đặt vừa vặn trong bất kỳ căn phòng nào. Có vẻ như đây là ý tưởng bất khả thi của một nhà nghiên cứu, nhưng một vật thể như vậy vẫn tồn tại. Gặp lò xo kim loại – $слинки^{1}$ (hình2). Không bị biến dạng, nó dễ dàng nằm gọn trong tay bạn và khi làm việc, bạn có thể kéo dài nó thêm một mét rưỡi. Nhưng điều quan trọng nhất là tổng chiều dài các khúc cua là mười tám mét. Vậy lò xo có độ nén

1 Bạn có thể đọc về một số thí nghiệm với mùa xuân tuyệt vời này trong bài viết của D. Chokin “Slinky - một con suối biết đi” («Kvant» Số 6, 1991). (Ghi chú của biên tập viên)