Детей китихи кормят лежа на боку, поддерживая малыша хвостовым плавником. Во время кормления им нельзя ни на минуту отвлекаться, иначе малыш может захлебнуться. Благополучно родить и выкормить китенка удается только в тихих лагунах, хорошо защищенных от свирепых штормов и тяжелой океанской волны. Для процветания серых великанов необходимо сохранить китовые роддома с хорошо оборудованными «послеродовыми отделениями».
Любовь к мелководью чревата опасностями. Стоит немного зазеваться, забыть об отливе — и ты на мели. В этом случае серые киты не впадают в панику, они спокойно лежат на мелководье, сохраняя силы в надежде, что последующий прилив освободит их. Матери не бросают севших на мель детенышей.
Они возвращаются к берегу вместе с приливом, чтобы забрать малыша.
Благодаря привязанности к береговой полосе серый кит все время находится у нас «на глазах», а следовательно, и изучен несравненно лучше своих собратьев. Несмотря на это, у ученых до сих пор не было единого мнения о том, способны ли серые киты издавать какие-либо звуки. Чтобы решить этот вопрос, ученые из Центра морских подводных исследований военно-морского флота США в Сан-Диего предприняли специальное исследование. Более трех с половиной месяцев исследовательское судно «Усе Салуда» подкарауливало исполинов в море.
За это время удалось прослушать 280 китов и сделать 230 записей издаваемых ими звуков. Изучение записей показало, что серые киты издают самые разнообразные звуки — вздохи, бульканье, стуки, но особенно часто стоны, которые составляли 87% всех издаваемых китами звуков. Животные стонут днем и ночью, когда плывут по одиночке и стайками. Однако стонут не все; 3% китов оказались молчаливыми. Зато говорливые киты способны издавать до 50 стонов в час.
Стоны представляют собой звуки большой силы (до 160 дБ) продолжительностью около 2 с. Их частота колеблется от 20 до 200 Гц. С какой целью издаются звуки, пока не ясно. По своему характеру они могли бы годиться для эхолокации, но тогда непонятно, почему даже ночью в темноте попируют не все животные. Возможно, стоны — это коммуникационные звуки, предназначенные для внутристадного общения. Не исключено, что стоны — реакция на какие-то внешние воздействия, на шум близкого прибоя или отдаленного шторма. Ведь и «чайки стонут перед бурей, и гагары тоже стонут». Наконец стоны могут оказаться всего лишь выражением любовного томления. Зима — пора любви, пора поисков подруги, завоевания ее сердца. Как же тут не застонешь!
Голубое чудо
Живой прожектор
Макси, миди, мини
Любовь к мелководью чревата опасностями. Стоит немного зазеваться, забыть об отливе — и ты на мели. В этом случае серые киты не впадают в панику, они спокойно лежат на мелководье, сохраняя силы в надежде, что последующий прилив освободит их. Матери не бросают севших на мель детенышей.
Они возвращаются к берегу вместе с приливом, чтобы забрать малыша.
Благодаря привязанности к береговой полосе серый кит все время находится у нас «на глазах», а следовательно, и изучен несравненно лучше своих собратьев. Несмотря на это, у ученых до сих пор не было единого мнения о том, способны ли серые киты издавать какие-либо звуки. Чтобы решить этот вопрос, ученые из Центра морских подводных исследований военно-морского флота США в Сан-Диего предприняли специальное исследование. Более трех с половиной месяцев исследовательское судно «Усе Салуда» подкарауливало исполинов в море.
За это время удалось прослушать 280 китов и сделать 230 записей издаваемых ими звуков. Изучение записей показало, что серые киты издают самые разнообразные звуки — вздохи, бульканье, стуки, но особенно часто стоны, которые составляли 87% всех издаваемых китами звуков. Животные стонут днем и ночью, когда плывут по одиночке и стайками. Однако стонут не все; 3% китов оказались молчаливыми. Зато говорливые киты способны издавать до 50 стонов в час.
Стоны представляют собой звуки большой силы (до 160 дБ) продолжительностью около 2 с. Их частота колеблется от 20 до 200 Гц. С какой целью издаются звуки, пока не ясно. По своему характеру они могли бы годиться для эхолокации, но тогда непонятно, почему даже ночью в темноте попируют не все животные. Возможно, стоны — это коммуникационные звуки, предназначенные для внутристадного общения. Не исключено, что стоны — реакция на какие-то внешние воздействия, на шум близкого прибоя или отдаленного шторма. Ведь и «чайки стонут перед бурей, и гагары тоже стонут». Наконец стоны могут оказаться всего лишь выражением любовного томления. Зима — пора любви, пора поисков подруги, завоевания ее сердца. Как же тут не застонешь!
Голубое чудо
Южное полушарие суровее северного. Небо южных сороковых широт всегда закрыто тяжелыми облаками, а океан горбится серо-стальной холодной волной. Если в этакий хмурый денек вдруг блеснет солнечный луч и море до самого горизонта разольется бирюзой, это значит — впереди раскинулись пастбища блювалов.
Антарктические воды — последняя вотчина морских исполинов. Блювал, или синий кит, — самое крупное существо из когда-либо обитавших на нашей планете. Только что появившийся на свет «малыш» достигает в длину 7,5 м. Семь месяцев спустя 16-метровая туша все еще числится в грудных младенцах, так как продолжает питаться материнским молоком. Взрослый самец в расцвете сил может достигнуть 30 м в длину и 150 т. веса. По сравнению с подобными колоссами прочие виды китов кажутся ничтожными заморышами.
Китовое молоко — весьма питательный продукт. На этой высококалорийной пище китенок растет поистине с космической скоростью, в среднем прибавляя в весе 75 г в минуту, что в сутки составляет более 100 кг. Обычно соски у матери спрятаны в специальные карманчики и снаружи почти не видны.
Самка выпускает их, когда малыш дает ей понять, что проголодался. Карманчики для сосков оказываются очень удобными, когда детенышу исполнится семь месяцев и настанет пора отучать его от груди. Голодному зверенышу не остается ничего другого, как последовать примеру родителей и, открыв пошире рот, постараться набить живот разной мелюзгой.
Взрослый синий кит необычайно красив. Спина нежно-голубого цвета, а собранное в складки брюхо украшено охристо-желтой пленкой из диатомовых водорослей. Темно-карие с синим отливом небольшие добрые глаза придают морде зверя осмысленное выражение. Некогда океан украшали цепочки бирюзовых спин исполинов, всплывающих к поверхности, чтобы провентилировать легкие.
Жизнь синих китов полна секретов. Считают, что семьи у блювалов создаются на всю жизнь. Супруги очень дружны.
Они постоянно обмениваются между собой различными сигналами и всегда действуют очень согласованно.
Когда в семье синих китов появляется потомство, оба родителя заботливо пестуют своего единственного отпрыска, пока тот не подрастет настолько, чтобы в одиночку или в компании одного-двух сверстников пуститься странствовать по белу свету, подрастая и нагуливая жирок.
Пасутся синие киты у самой поверхности. Широко разинув пасть, они прочесывают стаи мелких рачков. Подержав рот открытым с полминуты, блювал сокращает мускулатуру щек и, прижав к нёбу трехтонный язык, отжимает улов. Морская вода легко процеживается сквозь плотный частокол свисающих с верхней челюсти 300 роговых пластин, а пища отправляется в желудок. Чтобы чувствовать себя сытым, гигант должен иметь в желудке две тонны планктона.
Если уловы на поверхности невелики, блювалы ныряют на глубину 30—40 м в поисках более плотных скоплений всякой мелюзги. Всплывая на поверхность после продолжительного погружения, киты выпускают свой знаменитый фонтан — струю сжатого воздуха, насыщенную водяными парами. Выходя из двух близко расположенных дыхал, узкая струя на высоте 15 м (высота пятиэтажного дома) образует султан, повисая в воздухе капельками конденсировавшейся влаги. Высокие фонтаны и предавали китов, сообщая китобоям об их присутствии.
У блювалов мало врагов. Киты-убийцы — косатки опасны главным образом детенышам. Зато у них немало паразитов.
В кишечнике, в легких, в желчном пузыре поселяются различные глисты. На коже некоторых китов, особенно живущих в Антарктике, пасутся китовые вши.
Некоторую помощь китам оказывают воздушные санитары.
Когда блювалы подходят к полярным островам или пустынным берегам юга Южной Америки, на их спины, улучив момент между двумя погружениями, опускаются морские санитары — кулики-плавунчики и склевывают, если успеют, рачков. Пока же кит, уйдя на глубину, занят поисками корма, они целыми стайками парят в воздухе, высматривая в прозрачной воде своего кормильца, чтобы приземлиться на спину, чуть только она покажется из воды.
Синие киты способны издавать самые разнообразные звуки, в том числе и высокочастотные, в диапазоне 21—31 кГц. Их записали с борта норвежского зверобойного судна «Полярная звезда». Исследования вокальных способностей китообразных начались слишком поздно, когда гигантов осталось совсем мало. Чтобы найти в океане синего кита, нужно много времени бороздить морские просторы.
Огромные размеры оказались для китов поистине несчастьем. 50—150 т отличного сырья, из коих около четверти составляет жир, — это настоящее богатство. Жир шел на изготовление мыла и маргарина. Из костей получали клей, желатин, костную муку. Огромная печень — настоящий склад витамина А. Железы внутренней секреции позволяли медикам получать ценнейшие гормональные препараты. Кровь и внутренние органы оказались отличным сырьем для изготовления удобрений. Достаточно вкусно и мясо синих китов. В Японии и Норвегии оно пользуется хорошей репутацией.
Несомненные достоинства синего кита решили его участь.
Когда в южном полушарии наступало лето, синие киты устремлялись на жировку в полярные воды, а их северные сородичи на лето отправлялись к берегам Чукотки, в северную часть Атлантики и в Ледовитый океан. Здесь их настигали китобои, заботившиеся лишь о том, чтобы скорее наполнить трюмы.
40 лет назад 75% добычи китобоев составляли блювалы. В последующие годы добыча синих китов резко упала, снизившись до 1%.
Китобойный промысел велся самым варварским способом, без каких-либо правил, ограничений или норм. Положение усугублялось тем, что блювалы обитают вдали от берегов в международных водах. Никто не чувствовал себя хозяином блювала, никто и не заботился о нем. Хозяином синего кита можно было стать, только загарпунив гиганта. И китобои прилагали для этого максимум усилий.
Китобойный промысел был регламентирован лишь в 1946 году. Но это уже ничего не изменило: количество китов продолжало резко сокращаться. С 1964 года ввели значительные ограничения, а затем полностью запретили добычу блювалов. К сожалению, спохватились слишком поздно. По подсчетам некоторых ученых, в бескрайних просторах Мирового океана осталось всего 300 синих китов. При таком катастрофическом сокращении поголовья многие виды теряют способность восстанавливать свою численность и могут вообще исчезнуть с лица земли.
Итак, прогноз в отношении синего кита неблагоприятен. Сегодня эти животные странствуют по океану в одиночку или небольшими группами. Зимой в разгар брачного периода шансы найти себе пару очень невелики. На тысячекилометровых просторах Тихого и Индийского океанов разминуться друг с другом совсем нетрудно. И нет никакой гарантии, что такая встреча состоится хотя бы в самом отдаленном будущем. Может случиться, что естественная гибель китов начнет превышать рождаемость, — и тогда они обречены. Человечество бессильно помочь блювалам. Организовать их искусственное разведение пока невозможно.
Синие киты размножаются чрезвычайно медленно. Взрослыми они становятся лишь к пяти годам. Беременность длится год. Еще два-три года самка занята выкармливанием и воспитанием одного-единственного детеныша. В результате к десяти годам жизни она в состоянии произвести на свет лишь пару «малышей». А всего за свою 20—30-летнюю жизнь самка, вероятно, может иметь не больше 10 детенышей.
Если нормальное размножение китов окажется возможным, а запрет на их добычу будет строго соблюдаться всеми странами, то и в этом случае их численность будет расти так медленно, что промысел в объеме 4000 голов — именно такая цифра была запланирована на 1964 год — может быть возобновлен не раньше чем через 70—75 лет. Срок вполне достаточный, чтобы подумать об организации китовых хозяйств.
Подобные проекты в настоящее время не кажутся ученым чересчур фантастичными. Для содержания китов в океане не потребуется строить вольеры. Животные должны находиться на полувольном содержании. Полярным летом из них можно формировать стада в местах особенно обильного скопления криля — крохотных, похожих на креветок существ, главной пищи синего кита. Для этого потребуется разобраться в системе звуковой сигнализации китов и изучить их повадки. К осени «стариков», достигших предельного веса, можно будет забивать, остальных же китов отпускать на период размножения в теплые экваториальные воды.
Особенно заманчивой была бы организация молочных хозяйств. Китенок в среднем получает от матери в день по 600 л желтоватого молока, содержащего 53% жира едкого маслянистого вкуса. За 80 дней дойки из собранного молока можно было бы получить столько же жира, сколько вытапливается из туши взрослого кита!
Не исключено, что в будущем действительно удастся освоить доение китов. Даже хищные киты — кашалоты — не проявляют по отношению к человеку агрессивности, пока сами не подвергнутся нападению. Процесс доения не должен быть трудоемким. В отличие от детенышей подавляющего большинства млекопитающих животных, китятам не приходится утруждать себя сосанием — под водой это было бы делать нелегко.
Сокращая определенные мускулы, самки впрыскивают своему чаду в рот порцию «сливок». Таким образом, чтобы получать китовое молоко, нужно научиться вызывать рефлекс самопроизвольной молокоотдачи и сконструировать подходящее доильное устройство.
Возможность организации китовых хозяйств пока воспринимается как сказка, но ведь и полет на Луну всего 20 лет назад казался фантастикой. В наши дни биология переживает бурное развитие. На повестке дня всестороннее освоение Мирового океана. И не исключено, что подобные хозяйства окажутся высокорентабельными и позволят полноценно эксплуатировать антарктические океанские пастбища, в настоящее время человеком практически не используемые.
Пятьдесят лет назад стада синих китов уничтожали в сутки до миллиона тонн криля и обильно удобряли океан своими испражнениями, создавая предпосылку для бурного развития мелкого планктона. Теперь вся масса криля остается почти не тронутой. Значение этого фактора биологи еще не сумели оценить. Полчища не съеденных рачков уничтожают несметное количество планктона, в том числе икру и личинок рыб. Оставшейся же не съеденной рыбьей мелюзге, видимо, приходится голодать.
Не приведет ли уничтожение китов к оскудению рыбных запасов? Вот еще одна из причин, заставляющих ученых искать пути восстановления поголовья синего кита. Организация промысловых хозяйств с целью планомерного использования ценных для человека животных — новый этап в освоении ресурсов нашей планеты.
Антарктические воды — последняя вотчина морских исполинов. Блювал, или синий кит, — самое крупное существо из когда-либо обитавших на нашей планете. Только что появившийся на свет «малыш» достигает в длину 7,5 м. Семь месяцев спустя 16-метровая туша все еще числится в грудных младенцах, так как продолжает питаться материнским молоком. Взрослый самец в расцвете сил может достигнуть 30 м в длину и 150 т. веса. По сравнению с подобными колоссами прочие виды китов кажутся ничтожными заморышами.
Китовое молоко — весьма питательный продукт. На этой высококалорийной пище китенок растет поистине с космической скоростью, в среднем прибавляя в весе 75 г в минуту, что в сутки составляет более 100 кг. Обычно соски у матери спрятаны в специальные карманчики и снаружи почти не видны.
Самка выпускает их, когда малыш дает ей понять, что проголодался. Карманчики для сосков оказываются очень удобными, когда детенышу исполнится семь месяцев и настанет пора отучать его от груди. Голодному зверенышу не остается ничего другого, как последовать примеру родителей и, открыв пошире рот, постараться набить живот разной мелюзгой.
Взрослый синий кит необычайно красив. Спина нежно-голубого цвета, а собранное в складки брюхо украшено охристо-желтой пленкой из диатомовых водорослей. Темно-карие с синим отливом небольшие добрые глаза придают морде зверя осмысленное выражение. Некогда океан украшали цепочки бирюзовых спин исполинов, всплывающих к поверхности, чтобы провентилировать легкие.
Жизнь синих китов полна секретов. Считают, что семьи у блювалов создаются на всю жизнь. Супруги очень дружны.
Они постоянно обмениваются между собой различными сигналами и всегда действуют очень согласованно.
Когда в семье синих китов появляется потомство, оба родителя заботливо пестуют своего единственного отпрыска, пока тот не подрастет настолько, чтобы в одиночку или в компании одного-двух сверстников пуститься странствовать по белу свету, подрастая и нагуливая жирок.
Пасутся синие киты у самой поверхности. Широко разинув пасть, они прочесывают стаи мелких рачков. Подержав рот открытым с полминуты, блювал сокращает мускулатуру щек и, прижав к нёбу трехтонный язык, отжимает улов. Морская вода легко процеживается сквозь плотный частокол свисающих с верхней челюсти 300 роговых пластин, а пища отправляется в желудок. Чтобы чувствовать себя сытым, гигант должен иметь в желудке две тонны планктона.
Если уловы на поверхности невелики, блювалы ныряют на глубину 30—40 м в поисках более плотных скоплений всякой мелюзги. Всплывая на поверхность после продолжительного погружения, киты выпускают свой знаменитый фонтан — струю сжатого воздуха, насыщенную водяными парами. Выходя из двух близко расположенных дыхал, узкая струя на высоте 15 м (высота пятиэтажного дома) образует султан, повисая в воздухе капельками конденсировавшейся влаги. Высокие фонтаны и предавали китов, сообщая китобоям об их присутствии.
У блювалов мало врагов. Киты-убийцы — косатки опасны главным образом детенышам. Зато у них немало паразитов.
В кишечнике, в легких, в желчном пузыре поселяются различные глисты. На коже некоторых китов, особенно живущих в Антарктике, пасутся китовые вши.
Некоторую помощь китам оказывают воздушные санитары.
Когда блювалы подходят к полярным островам или пустынным берегам юга Южной Америки, на их спины, улучив момент между двумя погружениями, опускаются морские санитары — кулики-плавунчики и склевывают, если успеют, рачков. Пока же кит, уйдя на глубину, занят поисками корма, они целыми стайками парят в воздухе, высматривая в прозрачной воде своего кормильца, чтобы приземлиться на спину, чуть только она покажется из воды.
Синие киты способны издавать самые разнообразные звуки, в том числе и высокочастотные, в диапазоне 21—31 кГц. Их записали с борта норвежского зверобойного судна «Полярная звезда». Исследования вокальных способностей китообразных начались слишком поздно, когда гигантов осталось совсем мало. Чтобы найти в океане синего кита, нужно много времени бороздить морские просторы.
Огромные размеры оказались для китов поистине несчастьем. 50—150 т отличного сырья, из коих около четверти составляет жир, — это настоящее богатство. Жир шел на изготовление мыла и маргарина. Из костей получали клей, желатин, костную муку. Огромная печень — настоящий склад витамина А. Железы внутренней секреции позволяли медикам получать ценнейшие гормональные препараты. Кровь и внутренние органы оказались отличным сырьем для изготовления удобрений. Достаточно вкусно и мясо синих китов. В Японии и Норвегии оно пользуется хорошей репутацией.
Несомненные достоинства синего кита решили его участь.
Когда в южном полушарии наступало лето, синие киты устремлялись на жировку в полярные воды, а их северные сородичи на лето отправлялись к берегам Чукотки, в северную часть Атлантики и в Ледовитый океан. Здесь их настигали китобои, заботившиеся лишь о том, чтобы скорее наполнить трюмы.
40 лет назад 75% добычи китобоев составляли блювалы. В последующие годы добыча синих китов резко упала, снизившись до 1%.
Китобойный промысел велся самым варварским способом, без каких-либо правил, ограничений или норм. Положение усугублялось тем, что блювалы обитают вдали от берегов в международных водах. Никто не чувствовал себя хозяином блювала, никто и не заботился о нем. Хозяином синего кита можно было стать, только загарпунив гиганта. И китобои прилагали для этого максимум усилий.
Китобойный промысел был регламентирован лишь в 1946 году. Но это уже ничего не изменило: количество китов продолжало резко сокращаться. С 1964 года ввели значительные ограничения, а затем полностью запретили добычу блювалов. К сожалению, спохватились слишком поздно. По подсчетам некоторых ученых, в бескрайних просторах Мирового океана осталось всего 300 синих китов. При таком катастрофическом сокращении поголовья многие виды теряют способность восстанавливать свою численность и могут вообще исчезнуть с лица земли.
Итак, прогноз в отношении синего кита неблагоприятен. Сегодня эти животные странствуют по океану в одиночку или небольшими группами. Зимой в разгар брачного периода шансы найти себе пару очень невелики. На тысячекилометровых просторах Тихого и Индийского океанов разминуться друг с другом совсем нетрудно. И нет никакой гарантии, что такая встреча состоится хотя бы в самом отдаленном будущем. Может случиться, что естественная гибель китов начнет превышать рождаемость, — и тогда они обречены. Человечество бессильно помочь блювалам. Организовать их искусственное разведение пока невозможно.
Синие киты размножаются чрезвычайно медленно. Взрослыми они становятся лишь к пяти годам. Беременность длится год. Еще два-три года самка занята выкармливанием и воспитанием одного-единственного детеныша. В результате к десяти годам жизни она в состоянии произвести на свет лишь пару «малышей». А всего за свою 20—30-летнюю жизнь самка, вероятно, может иметь не больше 10 детенышей.
Если нормальное размножение китов окажется возможным, а запрет на их добычу будет строго соблюдаться всеми странами, то и в этом случае их численность будет расти так медленно, что промысел в объеме 4000 голов — именно такая цифра была запланирована на 1964 год — может быть возобновлен не раньше чем через 70—75 лет. Срок вполне достаточный, чтобы подумать об организации китовых хозяйств.
Подобные проекты в настоящее время не кажутся ученым чересчур фантастичными. Для содержания китов в океане не потребуется строить вольеры. Животные должны находиться на полувольном содержании. Полярным летом из них можно формировать стада в местах особенно обильного скопления криля — крохотных, похожих на креветок существ, главной пищи синего кита. Для этого потребуется разобраться в системе звуковой сигнализации китов и изучить их повадки. К осени «стариков», достигших предельного веса, можно будет забивать, остальных же китов отпускать на период размножения в теплые экваториальные воды.
Особенно заманчивой была бы организация молочных хозяйств. Китенок в среднем получает от матери в день по 600 л желтоватого молока, содержащего 53% жира едкого маслянистого вкуса. За 80 дней дойки из собранного молока можно было бы получить столько же жира, сколько вытапливается из туши взрослого кита!
Не исключено, что в будущем действительно удастся освоить доение китов. Даже хищные киты — кашалоты — не проявляют по отношению к человеку агрессивности, пока сами не подвергнутся нападению. Процесс доения не должен быть трудоемким. В отличие от детенышей подавляющего большинства млекопитающих животных, китятам не приходится утруждать себя сосанием — под водой это было бы делать нелегко.
Сокращая определенные мускулы, самки впрыскивают своему чаду в рот порцию «сливок». Таким образом, чтобы получать китовое молоко, нужно научиться вызывать рефлекс самопроизвольной молокоотдачи и сконструировать подходящее доильное устройство.
Возможность организации китовых хозяйств пока воспринимается как сказка, но ведь и полет на Луну всего 20 лет назад казался фантастикой. В наши дни биология переживает бурное развитие. На повестке дня всестороннее освоение Мирового океана. И не исключено, что подобные хозяйства окажутся высокорентабельными и позволят полноценно эксплуатировать антарктические океанские пастбища, в настоящее время человеком практически не используемые.
Пятьдесят лет назад стада синих китов уничтожали в сутки до миллиона тонн криля и обильно удобряли океан своими испражнениями, создавая предпосылку для бурного развития мелкого планктона. Теперь вся масса криля остается почти не тронутой. Значение этого фактора биологи еще не сумели оценить. Полчища не съеденных рачков уничтожают несметное количество планктона, в том числе икру и личинок рыб. Оставшейся же не съеденной рыбьей мелюзге, видимо, приходится голодать.
Не приведет ли уничтожение китов к оскудению рыбных запасов? Вот еще одна из причин, заставляющих ученых искать пути восстановления поголовья синего кита. Организация промысловых хозяйств с целью планомерного использования ценных для человека животных — новый этап в освоении ресурсов нашей планеты.
Живой прожектор
Макси, миди, мини
В 1899 году будущего академика Леонида Исааковича Мандельштама исключили из Новороссийского университета — так тогда назывался университет в Одессе. Мандельштаму не простили участия в студенческих выступлениях. Лишенный возможности закончить свое образование на родине, Мандельштам переехал в Страсбург. Здесь он поступил в университет, а позже начал свою научную деятельность в знаменитом физическом институте, еще хранившем традиции одной из лучших экспериментальных школ мира. Уже в студенческие годы его увлекала теория колебаний, которой он посвятил всю свою жизнь.
Мандельштам — один из классиков физической науки. Его всегда отличала не только глубина и широта суждений, но и ясность, лаконичность и законченность мысли. Занимаясь всю жизнь колебаниями, он тем не менее так и не рискнул дать определение данному виду явлений. Видимо, сделать это очень трудно.
Чтобы объяснить, что такое звуковые колебания и как они себя ведут, придется начать издалека.
Наиболее удобно наблюдать волну на поверхности жидкости. Бросьте камень в пруд или лужу, и по поверхности побегут концентрические волны, постепенно становясь все ниже и незаметнее, пока полностью не затухнут.
Когда смотришь на разбушевавшееся море, невольно создается впечатление, что громады вод, вздыбившись под напором ветра, волна за волной, отправились гулять по океанским просторам. Это иллюзия. Приглядитесь к предметам, пляшущим в хаосе пены. Они взлетают на гребни волн, но пробегают с ними совсем немного и, скатившись по пологому заднему склону, оказываются примерно на том же месте, откуда начали свой бег. Накатывающиеся волны снова и снова подхватывают их, но, взметнувшись на гребень, они всякий раз возвращаются назад, совершив круг по замкнутой орбите. Значит, и вода никуда не перемещается. Она просто вспучивается над поверхностью волной и тут же опадает, образуя глубокие провалы.
Вода помогла великому Галилею убедиться, что предмет, издающий звук, колеблется, порождая вокруг себя волны.
Экспериментальной установкой служил хрустальный бокал, почти до краев опущенный в большую лохань с водой. Галилей легкими ударами заставил бокал звучать и увидел, как рябью разбегались вокруг крохотные радиальные волны.
Развитие акустики шло медленно. Только в 17 веке стало окончательно ясно, каким образом колебания стенки колокола воспринимаются нашими ушами как звук. Оказалось, что для этого необходима какая-то среда, способная передать колебания от звучащего предмета к нашему уху. Немецкий ученый Отто фон Герике сумел убедиться, что такой средой является воздух. По мере того как ученый выкачивал его из-под стеклянного колпака, помещенный внутри колокол звучал все слабее и слабее.
Волны на границе двух сред — только частный случай колебательных процессов. Если ударить в колокол, вверх, вниз, вправо и влево — в общем, во все стороны побегут, расширяясь, сферические волны. Правда, мы их не увидим. Разве что солнечный луч высветит множество пылинок. Неподвижные до удара, они начнут двигаться по замкнутым орбитам, всегда возвращаясь в исходную точку. Точно такие же движения совершают молекулы газа. Если бы можно было их видеть, мы обнаружили бы, что в отдельные мгновения они стремятся собраться все вместе, в другие — рассредоточиться. Следовательно, сущностью звуковых волн является ритмическое изменение давления.
Аналогичным образом волны распространяются в любых средах, в том числе в жидкостях и твердых телах. В этом сумел убедиться все тот же Герике. В качестве звукоизлучателя он использовал уже испытанный колокол, а звуковоспринимающим прибором стали рыбы. Ученый бил в колокол на берегу пруда и бросал в воду хлебный мякиш. Вскоре звуки колокола стали сзывать к берегу сонмы рыб. Видимо, проще было бы нырнуть в пруд и самому убедиться, что звуковые волны могут распространяться в воде, но это почему-то не пришло Герике в голову.
Человеческое ухо способно воспринять, т. е. услышать как звук, лишь колебания давления воздуха, совершающиеся с частотой от 20 до 20 000 в секунду. Звук перестает восприниматься как непрерывный, когда давление меняется реже 16—18 раз в секунду. В акустике столь редкие колебания давления называют инфразвуками. За сменой давлений свыше 20000 раз в секунду человеческое ухо не способно уследить, а потому и не может информировать о них мозг, и нам кажется, что вокруг царит полная тишина. Такие колебания называются ультразвуками.
Слово «ультра» в переводе на русский язык означает «сверх, за пределами, по ту сторону». Не следует думать, что ультразвуковые колебания имеют какую-то иную физическую природу, отличную от природы обычных звуковых волн. Большинство животных отлично воспринимают неслышимые для нас ультразвуковые колебания. Наш верный спутник — собака — способна улавливать ультразвуки с частотой до 38 000 колебаний в секунду. На этом основаны многие цирковые номера. Собаке математику задают задачу: сколько будет два плюс пять? Дрессировщик спешит подсказать ответ, подавая с помощью специального ультразвукового свистка семь неслышимых для зрителей сигналов. В ответ на каждый сигнал четвероногий артист тявкает, приводя зрителей в восторг своими способностями.
Окружающий мир полон неслышимых для нас звуков. Однако огорчаться не стоит. Длительное шумовое воздействие способно вызвать серьезные заболевания органов слуха и центральной нервной системы. Человек создал вокруг себя такой шумный мир, что сам от этого страдает. Большинство машин и механизмов, кроме низкочастотного грохота и шума, производят еще и ультразвуки, к счастью, не мешающие нам спать.
Эти коварные волны хотя и не воспринимаются человеческим ухом, тем не менее при определенной интенсивности могут быть опасны дли нашего здоровья.
Для успешной эхолокации необходимо знать скорость звука. Артиллерийская стрельба позволила заметить, что звук достаточно тихоходен, а затем помогла с высокой точностью измерить скорость его распространения. Члены Французской академии наук, проводившие эксперимент, расположили на холмах на расстоянии около 30 км одна от другой две пушечные батареи. Пушки палили два раза в час, а наблюдатели определяли, через сколько времени после вспышки орудийного выстрела их ушей достигал звук. Оказалось, что 30 км звук покроет примерно за две минуты. Чтобы обежать земной шар по экватору, звуку потребуется больше суток.
Скорость распространения звуковых волн не связана ни с причиной, их породившей, ни с их частотой. Она зависит главным образом от характера и состояния среды, в которой распространяются волны. В воде звук бежит в четыре с лишним раза быстрее, чем в воздухе. За секунду он покрывает более полутора километров. Если в воде распространяются волны с частотой колебания 20 000 раз в секунду, то на протяжении полутора километров (расстояние, которое звук в воде пробежит за одну секунду) должно уложиться 20 000 волн. При частоте колебаний 100000 раз в секунду их должно уложиться в 5 раз больше. Следовательно, длина волн будет в 5 раз меньше. Таким образом, ультразвуковые колебания порождают миниволны, инфразвуковые — макси, а волны слышимого нами диапазона относятся к разряду мидиволн. Галилей первый удостоверился, что высота звука зависит от длины его волны.
Проводя опыты со звучащим в воде бокалом, он обратил внимание на то, что, если высота звука становилась на октаву выше, рябь делалась в два раза мельче.
Длина звуковой волны находится в пропорциональной зависимости от скорости звука. Чем большее расстояние за единицу времени пробежит звук, тем длиннее должны быть волны.
Поэтому при одинаковой частоте звуковая волна, распространяясь в воздухе, будет в 4,5 раза короче, чем в воде. Например длина волны ультразвука с частотой 50 кГц (т. е. 50000 колебаний в секунду) в воздухе равна 6,8 мм, а в воде 31 мм.
Важной характеристикой звука является его интенсивность. Барабанная перепонка начинает колебаться за счет энергии, переносимой от источника звука с помощью звуковых волн. Чем больше амплитуда звуковых волн, чем значительнее переносимая ими энергия, тем интенсивнее, сильнее звуки.
Необходимо помнить, что сила звука, количество энергии, которую несут звуковые волны, никак не отражается на скорости их распространения. В этом легко убедиться. Рябь от брошенного в воду камня, разбегаясь от места его падения, постепенно затухает, но ее скорость остается постоянной. Это знал еще Галилей. Присутствуя на церковных богослужениях, он продолжал оставаться физиком. Наблюдая, как в соборе раскачиваются люстры, он заметил, что, какой бы ни была амплитуда их движения, период колебания оставался постоянным. Ученый не мог принести в храм водяные часы, которыми обычно пользовался. Подобного кощунства церковь бы не простила. Пришлось прибегнуть к подручным средствам. Прибором для измерения времени стало сердце. Не убежденный в совершенстве собственного хронометра, он компенсировал его неточность количеством экспериментов. У Галилея хватило терпения сделать тысячу измерений и убедиться в своей правоте[3].
Что происходит со звуковой волной, когда она встречает на своем пути препятствие? Вернемся к луже, куда мы бросили камень. Тонкие былинки, торчащие из воды, практически не мешают разбегаться круговым волнам. Толстые стебли тростника уже являются для волн помехой, а торчащий из воды камень разрывает кольцо. За ним вода не морщинится рябью.
Подобным образом ведут себя и звуковые волны. Если их длина меньше препятствия, они от него отразятся, а позади возникнет звуковая тень. Звук туда не проникнет. Звуковая волна, изменившая направление своего движения, и есть эхо.
Чтобы получить эхо от мелких предметов, особенно в воде, нужно использовать ультразвуковые посылки с очень короткой звуковой волной.
Характер звуковых волн зависит от их длины. Величина звукоизлучателей слышимых нами звуков обычно незначительна в сравнении с длиною излучаемых звуковых волн. В этом случае звуковые волны разбегаются от излучателя во все стороны. Иные взаимоотношения возникают при генерации ультразвуков. Здесь габариты излучателей могут быть существенно больше длины волны излучаемого звука. Такой излучатель будет порождать плоские волны. Они распространяются в направлении, перпендикулярном к плоскости излучателя.
Возникает звуковой луч — узкий пучок звуковых волн. Он позволяет сконцентрировать всю энергию звука на нужном направлении, послать звуковую посылку дальше и получать более громкое эхо. Интенсивность звука резко возрастает по мере увеличения частоты колебаний. Генерировать ультразвуки, обладающие высокими энергиями, проще, чем слышимые звуки такой же силы. Поэтому при эхолокации выгодно использовать ультразвук.
У ультразвука есть и обратная сторона. Он очень быстро затухает. Чем выше частота звука, тем быстрее идет его поглощение. При увеличении частоты в 10 раз затухание будет происходить в 100 раз быстрее, а следовательно, резко сократится расстояние, на которое он распространится. И все-таки для эхолокации выгоднее применять ультразвук, чем более низкие звуки, так как последние трудно генерировать узким пучком. Распространяясь во все стороны, более низкий, слышимый нами звук не только поглощается средой, но и рассеивается все в большем объеме. В результате его интенсивность быстро падает и он затухает. Учитывая, что затухание ультразвуков в воде происходит в 1000 раз медленнее, чем в воздухе, можно с уверенностью сказать, что водные животные для эхолокации должны обязательно пользоваться ультразвуком.
Однако такой локатор может служить только для зондирования ближайшего пространства. Для дальней ориентации он не годится.
Мандельштам — один из классиков физической науки. Его всегда отличала не только глубина и широта суждений, но и ясность, лаконичность и законченность мысли. Занимаясь всю жизнь колебаниями, он тем не менее так и не рискнул дать определение данному виду явлений. Видимо, сделать это очень трудно.
Чтобы объяснить, что такое звуковые колебания и как они себя ведут, придется начать издалека.
Наиболее удобно наблюдать волну на поверхности жидкости. Бросьте камень в пруд или лужу, и по поверхности побегут концентрические волны, постепенно становясь все ниже и незаметнее, пока полностью не затухнут.
Когда смотришь на разбушевавшееся море, невольно создается впечатление, что громады вод, вздыбившись под напором ветра, волна за волной, отправились гулять по океанским просторам. Это иллюзия. Приглядитесь к предметам, пляшущим в хаосе пены. Они взлетают на гребни волн, но пробегают с ними совсем немного и, скатившись по пологому заднему склону, оказываются примерно на том же месте, откуда начали свой бег. Накатывающиеся волны снова и снова подхватывают их, но, взметнувшись на гребень, они всякий раз возвращаются назад, совершив круг по замкнутой орбите. Значит, и вода никуда не перемещается. Она просто вспучивается над поверхностью волной и тут же опадает, образуя глубокие провалы.
Вода помогла великому Галилею убедиться, что предмет, издающий звук, колеблется, порождая вокруг себя волны.
Экспериментальной установкой служил хрустальный бокал, почти до краев опущенный в большую лохань с водой. Галилей легкими ударами заставил бокал звучать и увидел, как рябью разбегались вокруг крохотные радиальные волны.
Развитие акустики шло медленно. Только в 17 веке стало окончательно ясно, каким образом колебания стенки колокола воспринимаются нашими ушами как звук. Оказалось, что для этого необходима какая-то среда, способная передать колебания от звучащего предмета к нашему уху. Немецкий ученый Отто фон Герике сумел убедиться, что такой средой является воздух. По мере того как ученый выкачивал его из-под стеклянного колпака, помещенный внутри колокол звучал все слабее и слабее.
Волны на границе двух сред — только частный случай колебательных процессов. Если ударить в колокол, вверх, вниз, вправо и влево — в общем, во все стороны побегут, расширяясь, сферические волны. Правда, мы их не увидим. Разве что солнечный луч высветит множество пылинок. Неподвижные до удара, они начнут двигаться по замкнутым орбитам, всегда возвращаясь в исходную точку. Точно такие же движения совершают молекулы газа. Если бы можно было их видеть, мы обнаружили бы, что в отдельные мгновения они стремятся собраться все вместе, в другие — рассредоточиться. Следовательно, сущностью звуковых волн является ритмическое изменение давления.
Аналогичным образом волны распространяются в любых средах, в том числе в жидкостях и твердых телах. В этом сумел убедиться все тот же Герике. В качестве звукоизлучателя он использовал уже испытанный колокол, а звуковоспринимающим прибором стали рыбы. Ученый бил в колокол на берегу пруда и бросал в воду хлебный мякиш. Вскоре звуки колокола стали сзывать к берегу сонмы рыб. Видимо, проще было бы нырнуть в пруд и самому убедиться, что звуковые волны могут распространяться в воде, но это почему-то не пришло Герике в голову.
Человеческое ухо способно воспринять, т. е. услышать как звук, лишь колебания давления воздуха, совершающиеся с частотой от 20 до 20 000 в секунду. Звук перестает восприниматься как непрерывный, когда давление меняется реже 16—18 раз в секунду. В акустике столь редкие колебания давления называют инфразвуками. За сменой давлений свыше 20000 раз в секунду человеческое ухо не способно уследить, а потому и не может информировать о них мозг, и нам кажется, что вокруг царит полная тишина. Такие колебания называются ультразвуками.
Слово «ультра» в переводе на русский язык означает «сверх, за пределами, по ту сторону». Не следует думать, что ультразвуковые колебания имеют какую-то иную физическую природу, отличную от природы обычных звуковых волн. Большинство животных отлично воспринимают неслышимые для нас ультразвуковые колебания. Наш верный спутник — собака — способна улавливать ультразвуки с частотой до 38 000 колебаний в секунду. На этом основаны многие цирковые номера. Собаке математику задают задачу: сколько будет два плюс пять? Дрессировщик спешит подсказать ответ, подавая с помощью специального ультразвукового свистка семь неслышимых для зрителей сигналов. В ответ на каждый сигнал четвероногий артист тявкает, приводя зрителей в восторг своими способностями.
Окружающий мир полон неслышимых для нас звуков. Однако огорчаться не стоит. Длительное шумовое воздействие способно вызвать серьезные заболевания органов слуха и центральной нервной системы. Человек создал вокруг себя такой шумный мир, что сам от этого страдает. Большинство машин и механизмов, кроме низкочастотного грохота и шума, производят еще и ультразвуки, к счастью, не мешающие нам спать.
Эти коварные волны хотя и не воспринимаются человеческим ухом, тем не менее при определенной интенсивности могут быть опасны дли нашего здоровья.
Для успешной эхолокации необходимо знать скорость звука. Артиллерийская стрельба позволила заметить, что звук достаточно тихоходен, а затем помогла с высокой точностью измерить скорость его распространения. Члены Французской академии наук, проводившие эксперимент, расположили на холмах на расстоянии около 30 км одна от другой две пушечные батареи. Пушки палили два раза в час, а наблюдатели определяли, через сколько времени после вспышки орудийного выстрела их ушей достигал звук. Оказалось, что 30 км звук покроет примерно за две минуты. Чтобы обежать земной шар по экватору, звуку потребуется больше суток.
Скорость распространения звуковых волн не связана ни с причиной, их породившей, ни с их частотой. Она зависит главным образом от характера и состояния среды, в которой распространяются волны. В воде звук бежит в четыре с лишним раза быстрее, чем в воздухе. За секунду он покрывает более полутора километров. Если в воде распространяются волны с частотой колебания 20 000 раз в секунду, то на протяжении полутора километров (расстояние, которое звук в воде пробежит за одну секунду) должно уложиться 20 000 волн. При частоте колебаний 100000 раз в секунду их должно уложиться в 5 раз больше. Следовательно, длина волн будет в 5 раз меньше. Таким образом, ультразвуковые колебания порождают миниволны, инфразвуковые — макси, а волны слышимого нами диапазона относятся к разряду мидиволн. Галилей первый удостоверился, что высота звука зависит от длины его волны.
Проводя опыты со звучащим в воде бокалом, он обратил внимание на то, что, если высота звука становилась на октаву выше, рябь делалась в два раза мельче.
Длина звуковой волны находится в пропорциональной зависимости от скорости звука. Чем большее расстояние за единицу времени пробежит звук, тем длиннее должны быть волны.
Поэтому при одинаковой частоте звуковая волна, распространяясь в воздухе, будет в 4,5 раза короче, чем в воде. Например длина волны ультразвука с частотой 50 кГц (т. е. 50000 колебаний в секунду) в воздухе равна 6,8 мм, а в воде 31 мм.
Важной характеристикой звука является его интенсивность. Барабанная перепонка начинает колебаться за счет энергии, переносимой от источника звука с помощью звуковых волн. Чем больше амплитуда звуковых волн, чем значительнее переносимая ими энергия, тем интенсивнее, сильнее звуки.
Необходимо помнить, что сила звука, количество энергии, которую несут звуковые волны, никак не отражается на скорости их распространения. В этом легко убедиться. Рябь от брошенного в воду камня, разбегаясь от места его падения, постепенно затухает, но ее скорость остается постоянной. Это знал еще Галилей. Присутствуя на церковных богослужениях, он продолжал оставаться физиком. Наблюдая, как в соборе раскачиваются люстры, он заметил, что, какой бы ни была амплитуда их движения, период колебания оставался постоянным. Ученый не мог принести в храм водяные часы, которыми обычно пользовался. Подобного кощунства церковь бы не простила. Пришлось прибегнуть к подручным средствам. Прибором для измерения времени стало сердце. Не убежденный в совершенстве собственного хронометра, он компенсировал его неточность количеством экспериментов. У Галилея хватило терпения сделать тысячу измерений и убедиться в своей правоте[3].
Что происходит со звуковой волной, когда она встречает на своем пути препятствие? Вернемся к луже, куда мы бросили камень. Тонкие былинки, торчащие из воды, практически не мешают разбегаться круговым волнам. Толстые стебли тростника уже являются для волн помехой, а торчащий из воды камень разрывает кольцо. За ним вода не морщинится рябью.
Подобным образом ведут себя и звуковые волны. Если их длина меньше препятствия, они от него отразятся, а позади возникнет звуковая тень. Звук туда не проникнет. Звуковая волна, изменившая направление своего движения, и есть эхо.
Чтобы получить эхо от мелких предметов, особенно в воде, нужно использовать ультразвуковые посылки с очень короткой звуковой волной.
Характер звуковых волн зависит от их длины. Величина звукоизлучателей слышимых нами звуков обычно незначительна в сравнении с длиною излучаемых звуковых волн. В этом случае звуковые волны разбегаются от излучателя во все стороны. Иные взаимоотношения возникают при генерации ультразвуков. Здесь габариты излучателей могут быть существенно больше длины волны излучаемого звука. Такой излучатель будет порождать плоские волны. Они распространяются в направлении, перпендикулярном к плоскости излучателя.
Возникает звуковой луч — узкий пучок звуковых волн. Он позволяет сконцентрировать всю энергию звука на нужном направлении, послать звуковую посылку дальше и получать более громкое эхо. Интенсивность звука резко возрастает по мере увеличения частоты колебаний. Генерировать ультразвуки, обладающие высокими энергиями, проще, чем слышимые звуки такой же силы. Поэтому при эхолокации выгодно использовать ультразвук.
У ультразвука есть и обратная сторона. Он очень быстро затухает. Чем выше частота звука, тем быстрее идет его поглощение. При увеличении частоты в 10 раз затухание будет происходить в 100 раз быстрее, а следовательно, резко сократится расстояние, на которое он распространится. И все-таки для эхолокации выгоднее применять ультразвук, чем более низкие звуки, так как последние трудно генерировать узким пучком. Распространяясь во все стороны, более низкий, слышимый нами звук не только поглощается средой, но и рассеивается все в большем объеме. В результате его интенсивность быстро падает и он затухает. Учитывая, что затухание ультразвуков в воде происходит в 1000 раз медленнее, чем в воздухе, можно с уверенностью сказать, что водные животные для эхолокации должны обязательно пользоваться ультразвуком.
Однако такой локатор может служить только для зондирования ближайшего пространства. Для дальней ориентации он не годится.