Физика и музыка

Восемнадцатилетним студентом-медиком он всколыхнул ученый мир оригинальной работой по физиологии зрения. А потом начался настоящий водопад статей и исследований. Юнг трудится над разгадкой египетских иероглифов, редактирует мореходный календарь, пишет шестьдесят глав научных приложений к Британской энциклопедии, публикует труды по проблемам механики, оптики, теории упругости, акустики, теплоты, кораблестроения, астрономии, геофизики, медицины, зоологии — всего не перечислишь!

О творчестве Юнга, блестящем, как многогранный, кристалл, написаны большие книги. Мы же отметим лишь один его вклад в науку — учение о сложении или, как говорят физики, интерференции колебаний.

Основная мысль доказанного Юнгом «принципа интерференции» весьма проста. Суть в том, что волны «не обращают внимания» друг на друга. Им «все равно», колеблется тело, в котором они бегут, или находится в неподвижности. Поэтому почти всякий вибратор вибрирует сразу с несколькими частотами. И лучший пример тому — натянутая струна.

СТРУНА ПОЕТ ХОРОМ

Днем в цирке пусто. После занятий египетскими письменами Юнг может переключиться на акробатику,, а заодно развлечься физическими экспериментами.

Вот он прошелся по канату, спрыгнул.

От толчка ног канат вибрирует, словно большущая струна. Ясно видно, как скачет пологая длинная дуга. Посредине — наибольший размах, «пучность» колебаний.

Юнг подходит к вороту, подтягивает канат. Раскачка идет чаще, ибо между частицами возросла упругая связь и они быстрее передают движение своим соседям. Укоротить канат — значит тоже ускорить размахи, ибо колебания быстрее охватывают его. Все привычно, знакомо. Но, если бы на этом физика натянутой нити кончилась, наши скрипки бы не пели и гитары не звенели. Они звучали бы тускло и глухо.

Юнг еще раз ударяет по канату и задирает голову. Теперь ученый ищет подтверждения провозглашенному им «принципу интерференции». И находит.

Если внимательно приглядеться, то видно, что толчок возбудил на канате не одно, а сразу множество колебаний, называемых в физике «стоячими волнами».

Оказывается, канат раскачивается не только как единое целое. На широкой — от края до края — дуге прыгают два других изгиба: две стоячие волны вдвое меньшей длины. Каждая занимает половину каната, а между ними — «узел», точка относительной неподвижности. Будто там стоит какой-то невидимый зажим.

Сверх двух колебаний канат приютил на себе и третье, «разломавшее» его на три равные части. На стыках третей — узлы, на серединах — пучности стоячих волн. Но это еще не все. По отдельности пляшут и четвертушки, и пятые части каната. Теоретически он делится в движении на любое целое число одинаковых отрезков.

Словом, длинное вибрирующее тело — вовсе не та пологая дуга, которая представляется на первый взгляд. В каждый момент оно вьется в хитроумных изгибах, унизано ожерельем стоячих волн, которые «не знают» о присутствии соседей и пронизывают друг друга.

И точно таковы повадки струны.

Разница единственная: канат раскачивается медленно и потому молча, а молниеносные вибрации непоседы-струны возбуждают слышимый звук. Причем, обратите внимание, не один тон, а сразу множество, целый аккорд голосов. Каждая часть струны дает собственный призвук!

Получается неожиданный вывод: одна-едннственная струна поет... хором! В этом-то и скрыт секрет красоты скрипичного пения и гитарного звона.

ЗАКОНЫ ТОМАСА ЮНГА

В человеческом хоре голоса тщательно рассортированы, каждый имеет свое имя: бас, баритон, тенор и т. д.

В хоре голосов струны тоже наведен порядок.

Колебания самой длинной «дуги» дают «основной тон». Он слышен громче всех. Половинки струны поют на октаву выше, ибо вибрируют вдвое чаще. Их голос называется «первым обертоном». Трети струны создают еще более высокий, «второй обертон», четвертушки—«третий обертон» и т. д.

Руководитель человеческого хора отлично управляет своей капеллой. Взмахнул хормейстер рукой — и басы умолкают, а сопрано набирают громкость. Второй взмах — поет баритон с дискантами. Третий — слышен только солист-тенор.

А можно ли управлять хором струны? Можно.

Резкий щипок вызывает к жизни высокие обертоны, а мягкий нажим — низкие. Это понятно: первые создаются частой вибрацией коротеньких стоячих волн, а вторые — сравнительно медленными колебаниями волн длинных. Недаром у мандолиниста, играющего пластинкой-медиатором, выходят четкие и острые звуки, а у гитариста — более мягкие и глубокие.

Имеет значение и место возбуждения струны.

Совсем не все равно, где ее ударить.

Есть правило, именуемое «первым законом Юнга»: раскачивая узел, относящуюся к этому узлу стоячую волну возбудить невозможно. И отсюда вывод: если вы намерены услышать яркий, звонкий звук, бейте у самого начала или в конце натянутой струны. Тогда нет риска угодить в совпавшие узлы большого количества наиболее энергичных стоячих волн, и вместе с низшими запоет множество высших обертонов. «Хор» будет усилен солидной дозой задорных «мальчишеских дискантов». А чем удар дальше от краев струны, тем беднее аккорд обертонов.