Обсудим?, страница 189 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Проекты и исследования. Итоги главы 2. Глава 2. Механические колебания и волны. Звук - страница 189.

Обсудим? Иван и Пётр прочитали научную статью в книге Л. В. Тарасова «Физика в природе». В книге автор проводил аналогию между явлением оптической рефракции — искривлением световых лучей в оптически неоднородной среде — и явлением акустической рефракции. Ребят заинтересовало, где в повседневной жизни они могут услышать подтверждение этого факта. Иван предположил, что именно из-за этого эффекта плохо слышно, когда человек кричит против ветра.

В подтверждение своих слов он из этой книги привёл следующие данные: при удалении от земли скорость ветра увеличивается, это заставляет при встречном ветре звуковые лучи искривляться кверху.

Прав ли Иван? Действительно ли явление рефракции в воздухе влияет на слышимость в приведённом примере?

Пётр не согласился с Иваном и привёл другие данные из этой же книги:

1. Скорость звука в воздухе при температуре 0 °С — 330 м/с.

2. При температуре -30 °С скорость звука — 312 м/с.

3. При температуре 30 °С скорость звука уже составляет 350 м/с.

Что мог предполагать Пётр для объяснения плохой слышимости при сильном ветре?

Приведите свои рассуждения по этому эффекту.

Прав ли Иван? Действительно ли явление рефракции в воздухе влияет на слышимость в приведённом примере?

Иван в целом прав. Его объяснение основано на реальном физическом явлении — акустической рефракции, вызванной неоднородностью среды.

В приземном слое атмосферы скорость ветра, как правило, увеличивается с высотой из-за уменьшения влияния трения о поверхность земли. Когда человек кричит против ветра, звуковые волны распространяются навстречу воздушному потоку. Их скорость относительно земли равна разности скорости звука в неподвижном воздухе ($c$) и скорости ветра ($v_w$).

Таким образом, в нижних слоях, где ветер слабее, результирующая скорость звука ($c - v_{w, \text{низ}}$) оказывается выше, чем в верхних слоях, где ветер сильнее ($c - v_{w, \text{выс}}$). Из-за этой разницы в скоростях нижняя часть волнового фронта опережает верхнюю. Это приводит к повороту фронта волны и, как следствие, к изгибу траектории распространения звука (звукового луча) вверх, в сторону от земной поверхности. В результате этого эффекта значительная часть звуковой энергии уходит вверх, не достигая ушей слушателя, находящегося на некотором расстоянии, что и приводит к ухудшению слышимости.

Ответ: Да, Иван прав. Явление рефракции, вызванное градиентом (изменением с высотой) скорости ветра, действительно заставляет звуковые волны при движении против ветра изгибаться вверх, что существенно ухудшает слышимость на расстоянии.

Что мог предполагать Пётр для объяснения плохой слышимости при сильном ветре? Приведите свои рассуждения по этому эффекту.

Пётр, не соглашаясь с Иваном и приводя данные о зависимости скорости звука от температуры, скорее всего, считает объяснение Ивана неполным или указывает на наличие других, более существенных факторов, особенно при сильном ветре. Данные, которые он приводит ($c(\text{0°C}) = 330 \text{ м/с}$, $c(\text{-30°C}) = 312 \text{ м/с}$, $c(\text{30°C}) = 350 \text{ м/с}$), подчёркивают, что воздух является акустически неоднородной средой не только из-за ветра, но и из-за разницы температур.

Пётр мог опираться на следующие предположения, которые в совокупности дают более полную картину:

1. Турбулентность атмосферы. Сильный ветер — это не равномерный поток, а турбулентное, вихревое движение воздуха. Эти вихри создают в пространстве хаотичные и быстро меняющиеся неоднородности плотности, давления и температуры. Звуковая волна, проходя через такую среду, сильно рассеивается — её энергия отклоняется в разные стороны, а когерентность волнового фронта нарушается. Это рассеяние ослабляет направленное распространение звука гораздо сильнее, чем плавная рефракция, описанная Иваном.
2. Маскировка звука фоновым шумом. Это один из самых важных факторов. Сильный ветер сам по себе является мощным источником шума: он гудит, свистит, шелестит листьями и т.д. Этот фоновый шум (эоловый шум) маскирует полезный сигнал (крик). Для того чтобы мозг выделил и распознал звук, его интенсивность должна заметно превышать уровень окружающего шума. При сильном ветре уровень шума настолько велик, что он может полностью "заглушить" даже громкий крик.
3. Влияние температурных градиентов. Данные Петра напрямую указывают на сильную зависимость скорости звука от температуры (она описывается формулой $c \approx \sqrt{\gamma R T / M}$, где $T$ - абсолютная температура). Обычно днем у поверхности земли теплее, чем на высоте. Это само по себе вызывает рефракцию и искривление звука вверх. Сильный ветер, перемешивая воздушные массы, создаёт сложную и изменчивую картину температурных полей, что усугубляет рассеяние звука, описанное в первом пункте.

Таким образом, Пётр, вероятно, хотел донести мысль, что модель плавной рефракции на градиенте ветра слишком упрощена для описания ситуации с сильным ветром. В реальности доминирующими факторами становятся рассеяние звука на турбулентных вихрях и маскировка звука собственным шумом ветра.

Ответ: Пётр мог предполагать, что плохая слышимость при сильном ветре объясняется в первую очередь не плавной рефракцией, а двумя другими эффектами: 1) сильным рассеянием звуковых волн на турбулентных неоднородностях, создаваемых ветром, и 2) маскировкой крика высоким уровнем фонового шума, который производит сам ветер. Приведённые им данные о температуре подчёркивают общую неоднородность воздуха как среды для распространения звука, которую сильный ветер многократно усложняет.