Эхолокация и ультразвук

Изучение ультразвука началось в первой половине XIX в., когда военное руководство Англии и Франции, издавна враждующих за колониальное господство, задумалось о возможности передачи акустических сигналов на дальние дистанции под водой. Это значительно повысило бы эффективность морских военных операций, потому ученые всего мира наперегонки принялись экспериментировать с подводным распространением звуковых волн. Так, в 1826 г. швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802—1893) пронаблюдал, за какое время звон колокола, установленного на дне Женевского озера, одолеет расстояние 16 км сквозь толщу 8-градусной воды. Одновременно с ударом в колокол на берегу был подожжен порох, и спустя 11,3 секунды в подводной слуховой трубе Колладон услышал звук. Так ученый рассчитал, что скорость сигнала составила 1412 м/с.

В 1850-х американцы додумались с помощью звука исследовать поверхность дна Атлантического океана, чтобы сориентироваться, как прокладывать через океан кабель телеграфа. Звук исходил снова-таки от подводного колокола, а команда на корабле принимала сигнал через спущенные с палубы трубы. Увы, идея себя не оправдала: звон колокола оказался слишком тихим, и морской шум попросту заглушил его. Тогда ученые поняли, что обычные звуковые частоты для передачи сигналов под водой не подходят — нужно генерировать акустические волны с большей частотой, направляя их организованными пучками.

Тридцать лет спустя французским физикам Пьеру и Жаку Кюри удалось обнаружить так называемое пьезоэлектричество («электричество от нажатия»). Возникало оно в кристаллах, когда их сдавливали, и чем сильнее, тем большей была величина заряда. Поставив обратный эксперимент, Кюри пропустили через кристалл ток с переменным напряжением, и «подопытный» завибрировал. Данный эффект ученые использовали для создания небольших ультразвуковых генераторов, а также приемников волн.

Через три года английскому исследователю Фрэнсису Гальтону (1822—1911) пришла в голову мысль, что если подуть на лезвие ножа, то получится высокочастотный свист. По этому принципу Гальтон сконструировал генератор, представляющий собой трубку, надетую на скрученный валиком лист металла с острой кромкой. Свист возникал тогда, когда воздух вдувался в трубку и попадал на острие. Используя вместо воздуха водород, можно было извлечь очень высокий звук, частотой около170 кГц (для сравнения: наше ухо разливает частоту 16—20 кГц).

Читать:  Фалес Милетский

Важность этих открытий была оценена на заре ХХ в., когда в войнах стали задействоваться субмарины. В начале Первой мировой за усовершенствование ультразвуковых генераторов взялись россиянин Константин Шиловский и француз Поль Ланжевен. Основываясь все на том же эффекте пьезоэлектричества, ученые изобрели прибор, предназначенный для «сканирования» водной толщи на предмет вражеских объектов. Устройство, состоящее из излучателя и приемника УЗ- колебаний, предназначалось для сугубо боевых целей, но чуть позже еще один российский физик — Сергей Соколов придумал, как использовать отражение ультразвуковых волн для обнаружения внутренних повреждений деталей на производстве.

В медицину ультразвук пришел в конце 1930-х, когда венский психиатр Карл Дуссик, вдохновившись статьей Соколова, попросил брата-физика сконструировать прибор, подобный УЗ-дефектоскопу, а затем попробовал лечить ультразвуком ревматизм и диагностировать заболевания мозга. Процедура диагностики была не очень приятной: чтобы просканировать голову больного, требовалось полностью опустить ее в воду, — к тому же результаты оказались ненадежными. Зато многочисленные опыты Дуссика показали, что новообразования в организме отражают УЗ-волны сильнее, чем здоровые ткани, и с середины ХХ в. доработанный аппарат УЗИ наконец-то вошел в медицинскую практику.

Между тем в первой половине столетия ученые узнали, что некоторые представители животного мира тоже умеют сканировать окружающую среду ультразвуком. Издавая высокочастотные звуковые колебания, летучие мыши чувствуют, когда волны отражаются от объектов на пути, и ловко облетают препятствия. Впрочем, это умение, названное эхолокацией, было открыто еще в конце XVIII в. итальянским естествоиспытателем Ладзаро Спалланцани (1729—1799). Наблюдение того, как рукокрылые лучше всяких сов ориентируются в кромешной темноте, побудило ученого провести целый ряд не совсем гуманных экспериментов.

Читать:  Гипотеза Планка о квантах

Перво-наперво Ладзаро нахлобучил зверькам на головы непрозрачные колпачки, и мыши вполне предсказуемо стали натыкаться на разные предметы и падать. Разумеется, ученый решил, что все это из-за закрытых глаз, но следующий эксперимент с прозрачными колпачками привел к тем же последствиям: зверьки могли видеть и все равно сбивались с пути. Раздосадованный, Спалланцани ослепил подопытных и отпустил их летать уже без колпаков, вследствие чего к мышам вернулись навигационные навыки.

Ладзаро немедля рассказал о своем наблюдении зарубежным коллегам и попросил их проверить данные эксперимента. Большинство ученых, повторивших его исследования, получили аналогичные результаты, однако швейцарский биолог Шарль Жюрин пошел дальше — залепил уши рукокрылых воском. В итоге зверьки стали вести себя, словно слепые, и Жюрин заключил, что уши служат мышкам «глазами», то есть распознают препятствия на пути.

Теперь уже пришла очередь Ладзаро повторять опыт швейцарского коллеги. Для пущей достоверности он вставил в уши мышкам анатомически подогнанные латунные трубочки. Когда трубочки были открыты, зверьки (даже слепые) передвигались в темноте без проблем, лавируя между препятствиями. Но как только ученый затыкал трубки, подопытные начинали панически метаться, сталкиваясь между собой и с разными предметами. Это подтвердило догадку Спалланцани: зрение рукокрылым ни к чему, а вот потеря слуха для них губительна.

Читать:  Закон всемирного тяготения

Объяснить, как устроен «сканер» летучих мышей, ученые не смогли: им казалось, что зверьки не издают никаких звуков, потому неясно было, как они слышат окружающую среду. Из-за этого никто не воспринял открытие Спалланцани всерьез, а в начале XIX в. французский зоолог Жорж Кювье заявил, будто рукокрылые летят на… запах — то есть ориентируются в пространстве с помощью нюха. К тому времени Кювье слыл уже очень уважаемым ученым, и его бездоказательная теория была принята просто на веру.

Лишь в 1912 г. ее пересмотрел британский оружейник Хайрем Максим: в связи с крушением «Титаника» он инициировал разработку ультразвукового локатора для «прощупывания» крупных препятствий по курсу кораблей — мол, именно такой способ помогает летучим мышам обходить потенциально опасные объекты. Правда, Максим думал, будто зверьки, взмахивая крыльями, издают инфразвук частотой 15 Гц, однако в 1920-х британский врач Х. Хартридж выяснил: мышиные звуки ближе все-таки к высокочастотным волнам. В 1938 г. гарвардские ученые Джордж Пирс и Дональд Гриффин подтвердили выводы Хартриджа. Пирс сконструировал прибор для улавливания ультразвука, Гриффин поднес к этому устройству летучую мышь — и в аппарате послышался громкий треск. После Гриффин рассудил, что способность рукокрылых летать на звук должна называться эхолокацией — ведь ее принцип полностью отвечает радиолокации.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о