Файл: Лекции по физике.pdf

Восприятие звука определяется двумя порогами: порогом слышимости, то есть минимальной интенсивностью, которую мы ощущаем Jп = 10–12 Вт/м2 на частоте 1 кГц, и болевым порогом, то есть максимальной интенсивностью,

которую мы переносим Jmax = 10 Вт/м2 на той же частоте.

Наше ухо воспринимает очень широкий диапазон интенсивностей, различающихся в 1013 раз. Это происходит благодаря механической костномышечной системе1 ослабления больших интенсивностей. При этом ослабление осуществляется по логарифмическому закону2. В связи с этим введена величи-

на уровень интенсивности звука

Единица уровня интенсивности называется бел (Б). В этих единицах шкала слуховой чувствительности от пороговой до максимальной будет от 0 до 13 Б. На практике применяют единицу в 10 раз меньшую – децибел (дБ): 1 Б = 10 дБ. Поэтому, если мы хотим найти уровень интенсивности сразу в децибелах, выражение (4.17) надо умножить на 10

Как звук высокой интенсивности, так и его отсутствие (полная тишина)

оказывают стрессовое действие. Длительное нахождение в таких условиях в

обоих случаях приводит к возникновению заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем. Например, для нормального сна оптимальным является уровень 20-30 дБ, для производственных помещений допустимый уровень интен-

сивности 45-55 дБ. Диапазон, соответствующий нашей речи, порядка 40-80 дБ,

рис. 4.10. Звук в 65-70 дБ и выше оказывает на человека неблагоприятное стрессовое воздействие с понижением слуховой чувствительности. Так, значительное снижение слуховой чувствительности наблюдается у трактористов в

1 молоточек-наковальня-стремечко

2 закон Вебера – Фехнера

35

ку, где уровень интенсивности звука, как правило, запредельный. Повышенные шумы приводят к снижению скорости роста (продуктивно-

сти) и воспроизводства сельскохозяйственных животных1. К примеру, на свинофермах запрещается уровень шумов более 80 дБ, поскольку под действием шума в 70-80 дБ у свиноматок прекращается лактация. У коров при таком шуме нарушается рубцовое пищеварение, а лактация снижается на 30%. У кур шум в 90-100 дБ приводит к снижению живой массы и яйценоскости. Поэтому одним

из существенных требований к современным механическим устройствам на

животноводческих комплексах (доильным установкам, вентиляторам, транспортерам и др.) является низкий уровень шума при их работе.

С ростом и понижением частоты (относительно 1000 Гц) порог слышимости повышается, а болевой порог понижается, что приводит к сужению диапазона воспринимаемого уровня интенсивности звука. Это можно видеть из кривых зависимостей порогов слышимости и боли от частоты на рис. 4.10 (логарифмический масштаб). Эти кривые являются предельными кривыми равной громкости (минимальной и максимальной). Между ними можно провести другие кривые равной громкости, соответствующие промежуточным значениям

уровня интенсивности воспринимаемого звука.

Исследования последних лет показали, что область слышимости у крупного рогатого скота и кур почти такая же, как у человека. Однако у многих животных она сдвинута в сторону более высоких частот: у собак – до 60 кГц, у

дельфинов, летучих мышей и комаров – до 100 кГц и выше.

Вопросы к лекции 4

1.Какие колебания называют гармоническими? Напишите уравнение гармонических колебаний и назовите характеристики колебаний.

2.Какой маятник называют математическим, а какой физическим? Как найти период их колебаний?

3.Какие колебания называют затухающими? Почему в природе и технике не бывает свободных незатухающих колебаний?

4.Какие колебания называют вынужденными? Что такое резонанс и когда он возникает? Приведите примеры.

5.Какая волна называется продольной, а какая поперечной? Приведите примеры. Как меняется длина волны с ростом частоты?

6.Дайте определение интенсивности волны. От каких параметров она зависит?

7.Почему подводные взрывы опаснее надводных?

8.Приведите примеры источников звука и укажите их особенности.

9.Укажите частотный диапазон звуковых волн. Что такое звуковое давление?

10.Почему, когда шумят соседи, не слышно высокочастотных составляющих звука?

11.Почему подводные звуки на берегу практически не слышны, и звуки на берегу под водой тоже почти не воспринимаются?

12.Объясните сущность эффекта Доплера на примере звуковых волн.

13.Перечислите субъективные характеристики звука и поясните их.

14.Что такое уровень интенсивности звука, и в каких единицах он измеряется?

15.Укажите допустимый диапазон уровня интенсивности шума для человека? Какие последствия у человека и животных вызывает чрезмерная «зашумленность»?

1 а использование тихой классической музыки – к противоположным результатам

36

Лекция 5. Упругие свойства твердых тел

Как было отмечено в п. 2.1, действие силы на тело приводит к его деформации, то есть изменению формы и размеров тела.

Деформацией называют изменение формы и размеров тела, обусловленное внешними воздействиями (механическими, тепловыми или электрическими).

В этой лекции речь пойдет о механических деформациях. Деформацию называют упругой, если она возникает и исчезает одновременно с нагрузкой и не сопровождается нагреванием тела. Пластическая деформация сохраняется (хотя бы частично) после снятия нагрузки и сопровождается нагреванием тела.

Согласно третьему закону Ньютона в деформированном теле возникает противодействующая сила – сила упругости, по величине равная действующей на тело силе (Fу = F, рис. 5.1). Силы упругости обусловлены взаимодействием между атомами и молекулами тела и, в конечном счете, имеют электрическую природу.

Различают следующие деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Рассмотрим подробно первые две.

5.1. Деформации растяжения и сжатия

Начнем с упругих деформаций. Если стержень длины l с площадью попе-

учитывая, что коэффициент жесткости k = ES/l, где величина Е называется мо-

дулем упругости или модулем Юнга:

Отсюда видно, что единица измерения модуля упругости как и у давле-

ния – паскаль (Па): [P] = Па = Н/м2.

Все эти формулы – разная запись одного закона.

Закон Гука: сила упругости и упругое напряжение, возникающие при малых деформациях твердого тела, пропорциональны его относительной деформации.

37

Потенциальная энергия, запасенная в упруго деформированном стержне, определяется формулой (2.14):

где V – объем стержня.

Тогда объемная плотность энергии, запасенной в деформированном

сжать. Для многих металлов и сплавов зависимость аналогичная.

Упругое напряжение Ру, соответствующее началу неупругой деформации называют пределом упругости, а наибольшее напряжение Рпр, которое выдерживает образец до разрушения – пределом прочности. Так, для костей, большинства металлов и сплавов Рпр = 80-200 МПа, для мышц и пластмасс он существенно меньше Рпр = 0,5-1 МПа.

В таблице приведены ориентировочные значения модуля упругости E и предела прочности Рпр при растяжении некоторых технических и биологиче-

ских материалов.