Тейлор = Шум (1978)
Шум. Р.Tэйлор.
--------------------------------------------------------------------------------
Аннотация
Борьба с шумовым загрязнением окружающей среды — одна из актуальнейших научно-технических проблем нашего времени. Этому вопросу посвящена книга английского инженера Р. Тэйлора, много лет отдавшего практической борьбе с шумом.
Широкий охват материала, популярность изложения, живой язык — все это, бесспорно, привлечет к книге внимание акустиков, конструкторов, строителей, врачей-гигиенистов и всех, кто интересуется проблемами современной науки и техники.
Содержание
Предисловие редактора
Введение
1. Неведомая наука — акустика
2. Воздух, волны, звук
3. Шипение, свист, гудение, грохот
4. Шум в децибелах
5. Слух и повреждения слуха
6. Отчего так шумно? Механизмы и шум
7. От точки А к точке Б — звук в открытом пространстве
8. Поглощение звука и дырки в потолке
9. Звуконепроницаемость — разоблаченный миф
10. Помещения, строения и концертные залы — «летающие блюдца» под крышей
11. Насколько тихо должно быть? Комфорт, обязанности работодателя и законодательство
12. Какого заглушения можно добиться? Как конструировать малошумящие механизмы?
13. Обесшумливание и изоляция звука
14. Акустическая диагностика и рецептура
15. Многошумное будущее
Акустический словарь
Приложения
Рекомендуемая литература
Предисловие редактора
Предлагаемая вниманию читателя книга английского инженера Р. Тэйлора «Шум» посвящена весьма важной научно-технической проблеме нашего времени: борьбе с шумовым загрязнением окружающей среды. Теперь к жертвам шума следует относить не только котельщиков и клепальщиков, как это было несколько десятков лет назад, но, пожалуй, и каждого жителя города. Год от года шум растет и в домах, и на улице, и на производстве. Например, в Москве и других больших городах за последнее десятилетие шум вырос в 10—15 раз. Ученые уже давно установили, что шум вызывает тугоухость, приводит к нарушениям сна, язвенной болезни, сердечно-сосудистым, нервным и другим заболеваниям. Особенно большой вред шум приносит детям и больным.
Современная акустическая наука может предложить весьма эффективные средства борьбы с шумом, В одних случаях инженеры-акустики умеют снизить чрезмерный шум того или иного механизма, в других — изолировать этот шум, отражая его обратно к месту возникновения и не давая ему распространиться по всему помещению. Если невозможно бороться с самим шумом, с успехом применяют индивидуальные средства защиты человека: ушные заглушки (вкладыши) и противошумные наушники.
К сожалению, несмотря на то что шумовая угроза затрагивает почти все население, борьба с шумом в нашей стране не достигла пока удовлетворительного уровня и не отвечает современным возможностям науки и техники. Конструкторы и изготовители различных механизмов и средств транспорта, а также лица, связанные с их эксплуатацией, еще не уделяют должного внимания охране населения от чрезмерного шума.
Главную причину недостаточного развертывания борьбы с шумом мы видим в отсутствии у соответствующих научно-технических кадров необходимых знаний в области акустики вообще и воздействия шума на человека в частности. Заголовок первой главы («Неведомая наука — акустика») можно адресовать большому кругу лиц, обязанных следить за акустическим климатом. В деле охраны человека от вредных внешних воздействий акустику используют меньше, чем остальные естественные науки. Это отражается даже в языке: тогда как в популярных книгах и журналах уже не считается нужным пояснять такие слова, как, например, «античастица», «лазер», «хромосома», «мягкая посадка», «жесткое излучение» и т. д., слова: «шумовая проблема», «шумность», «заглушение», «децибелы», «реверберация» и т. п. — часто воспринимаются как какие-то экзотические термины.
Такое положение вещей делает весьма важной пропаганду акустических знаний на популярном уровне. Поэтому появление в переводе настоящей книги, преследующей именно эту цель, следует считать весьма своевременным.
Р. Тэйлор — практический работник в области борьбы с шумом. Он сочетает большой опыт с ясными представлениями о физических процессах — как приводящих к генерации шума современными техническими устройствами, так и лежащих в основе способов противодействия шуму. Книга предназначена в основном для лиц, мало сведущих в акустике. Р. Тэйлору удалось сохранить популярность изложения, несмотря на то что в книге охвачен большой и сложный материал: основы генерации и распространения звука, работа слухового аппарата человека и повреждение слуха шумом, процессы создания шума различными механизмами и устройства для поглощения и изоляции звука; даны сведения об архитектурной и строительной акустике. Кроме того, автор вкратце рассматривает законодательные аспекты борьбы с шумом в Англии, а также приводит некоторые интересные случаи из собственной практики, когда ему сравнительно простыми средствами удавалось существенно улучшить акустические условия в шумных помещениях. Последняя глава книги посвящена «шумовой футурологии». Заключительная фраза книги оптимистична, хотя автор ясно понимает огромный масштаб и сложность задачи обуздания современной тенденции роста окружающего шума.
Тэйлор справедливо отмечает, что борьба с шумом включает, помимо всего прочего, экономический аспект и подчеркивает, что за снижение шума надо «платить» (идет ли речь о денежных затратах или об увеличении массы и габаритов заглушаемого оборудования). По мнению автора, с которым нельзя не согласиться, подход к современной проблеме шума должен быть всесторонним. Следует учитывать как физико-технические и экономические, так и физиологические стороны вопроса, совершенствовать как способы борьбы с колебаниями воздуха и вибрациями конструкций, так и надлежащие законодательные меры. Необходимость такого подхода показана в книге достаточно ясно и последовательно.
Среди имеющихся отечественных и переводных изданий, посвященных этой теме, нет книги, которая по научному и популяризаторскому уровню приближалась бы к книге Тэйлора. Наибольший практический интерес книга представит для инженерно-технических работников промышленности и транспорта, строителей и градостроителей, сотрудников отраслевых научно-исследовательских институтов и т. д. Книга будет интересна и просто любознательному читателю, особенно если он также является жертвой шума.
М. Исакович.
Введение
Нужно ли писать книгу о том, что нам приходится мириться со слишком большим шумом? Остановитесь и прислушайтесь! Но недостаток знаний о самом шуме ощущается во всем: мало кто знает, что такое шум, как он на нас действует и, самое важное, как избежать его создания.
Люди привыкли к разговорам о децибелах, хотя и не понимают, что это такое, а как бы в отместку за попытку непосвященных проникнуть в тайный мир эксперта по шумам возник целый набор новых специальных технических терминов. Такие символы, как L10 и Lэкв, вписаны в правительственные постановления и кодексы правил, но даже составителям подобных документов смысл этих символов до конца не ясен.
В наше время пользоваться советами консультанта по шумам — уже не причуда. Большие промышленные компании начинают включать в свой постоянный штат специалистов по акустике, надеясь с их помощью добиться снижения шума производимых ими механизмов; однако до сих пор и инженерам, и архитекторам случается производить акустические монстры. Сейчас уже появились ученые степени по акустике, сотни студентов окончили соответствующие вузы и аспирантуру, но людей, располагающих практическими сведениями по акустике, по-прежнему не хватает.
Люди начинают понимать разницу между двойными оконными рамами для теплоизоляции и рамами для звукоизоляции, но продолжают налепливать акустические плиты на стены и потолок, тщетно надеясь «спрятаться» от шума.
Эта книга — попытка принести свет тем, для кого все, связанное с акустикой, покрыто мраком; попытка объяснить, как шум возникает и как с ним можно бороться. Книга в равной мере предназначена как для профана, страдающего от шума, так и для архитектора и инженера, а также для всех, кто сам захочет избрать акустику своей специальностью.
1. Неведомая наука — акустика
Звук — явление столь же древнее, как и сама Земля. Хаос, в котором рождалась наша планета, сопровождался мощными ударами, вибрацией, звуками чудовищной силы. Когда Земля остыла и возникла жизнь, природа не затихла: волны с шумом бились о скалы, ветер завывал в ветвях, гром гремел в небе. И теперь природа порою создает не меньше шума, чем человек. В
У животных, которые в процессе эволюции приспосабливались к жизни на недавно остывшей Земле, возникли особые отростки головного мозга — органы слуха, и животные получили возможность улавливать звуки из окружающего их мира. Это увеличило шансы на выживание, так как звуки несут информацию; для обитателей первобытной Земли эта информация в основном сводилась к предупреждениям об опасности. Позже с помощью звуков начала устанавливаться связь. Различные звуки, издаваемые животными, служили для передачи сигналов опасности, способствовали объединению животных со стадным инстинктом и даже помогали процессу размножения — пользуясь любовным зовом, особи разных полов легче отыскивали партнеров.
Из всех живых существ только человек сумел полностью воспользоваться свойствами окружающей среды как носителя звуков. Не довольствуясь ворчанием и мычанием, человек, по мере того как росло количество информации, которую ему надо было передавать, учился издавать все более разнообразные звуки. Ведь человек — это общественное хищное животное; он уже не мог, подобно его предкам приматам, развалившись на ветвях деревьев, лениво тянуться за свисающими с них плодами. Общение с себе подобными стало для него жизненно необходимым. Выслеживание дичи, взаимная помощь при преследовании и умерщвлении добычи, предупреждение о грозящей опасности — все это требовало постоянно увеличивать содержательность общения, и таким образом человеческая речь родилась в силу острой необходимости.
Вскоре человек обнаружил, что звуки могут служить и другим целям; он обратил внимание на грохот, возникающий при ударах по пустому котлу для варки пищи, на звон и гудение тетивы натянутого охотничьего лука при вылете стрелы — так появились первые музыкальные инструменты.
Но не только речь и музыку внес человек в мир звуков. С отдаленнейших времен человек изготовлял примитивные орудия, обрабатывая камни, и, вероятно, не один пещерный житель затевал драку со своим соседом из-за непрерывного шума, сопровождающего обтесывание каменного топора. А когда человек изобрел колесо, он, сам того не сознавая, посеял первое зерно современной проблемы шума. Уже в древнем мире стук колес по каменной мостовой у многих вызывал бессонницу; позже в городах мостовые возле домов стали устилать соломой, чтобы приглушить цокот копыт и грохот железных колесных ободьев.
Железный век принес новые шумы: звон и грохот металла, из которого ковали оружие и утварь, не смолкая, разносились над поселениями. Человек научился создавать звучания, приятные для слуха, иными словами, творить музыку; но вместе с тем, производя все более громкие и неприятные шумы: треск и стук, скрежет и грохот, — он загрязнял звуками окружающую среду и притуплял свой слух. В сохранившихся кое-где и поныне первобытных сообществах преобладают, природные звуки, а сам человек почти не производит шумов. Развитие же техники привело к резкому увеличению шума. В течение многих веков человеческий слух не знал худших раздражителей, чем шум, возникавший при обработке дерева, камня или металла. Изобретение пороха принесло относительно новый вид шума — звуки взрывов, а также первую реальную опасность повреждения слуха. Наиболее сильный шум в те дни, безусловно, производили боевые сражения, где лязг топоров, мечей, доспехов и пушечная пальба заглушали вопли раненых, пение горнов и барабанную дробь.
Но только промышленная революция возвестила о приходе эпохи шума. Новые фабрики, рудники, доменные печи принесли с собой всестороннее загрязнение среды: зловоние, дым, обезображенный пейзаж и, разумеется, шум. С изобретением паровой машины и созданием больших механизмов проблема шума обострилась. Развитие железных дорог, появление двигателя внутреннего сгорания и рост применения стали — все это сопровождалось усилением шума. Теперь мы изобрели ракетный и дизельный двигатели, сложнейшие станки, и все они вносят свой вклад в общую какофонию. Сейчас большая часть населения земного шара страдает от шума. В одном отчете о проблеме шума[1] сравнивались результаты обследований, проведенных в 1948 и 1961 гг.; в обоих случаях было опрошено 1400 человек. Каждому был задан вопрос, случалось ли ему когда-либо, находясь в квартире, испытывать беспокойство от шума, поступающего снаружи. В
Печальная истина заключается в том, что, за редкими исключениями, развитие техники и успехи технологии всегда сопровождались общим усилением шума. Это и не удивительно, потому что до середины XIX в. никаких конкретных познаний о шуме не было, и борьба с ним не выходила за рамки, которые непосредственно подсказывал здравый смысл. И только во время второй мировой войны, когда акустика шагнула далеко вперед в Европе и Америке, этот раздел физики поднялся до уровня современной точной науки.
Век за веком ученые занимались исследованием звука: еще Пифагор проводил опыты с колебаниями натянутой струны. Потом, в течение сотен лет, все выглядело так, словно труды Пифагора были не только началом, но и завершением науки о звуке. Позже некоторые великие ученые — от Аристотеля и Евклида до Птолемея — строили теории звука, которые, однако, не имели прямой связи с физической стороной этого явления. И только 1500 лет спустя Галилео Галилей заложил основы акустики. Он начал примерно с того, на чем остановился Пифагор, и опять задрожала струна!
Творцами современной акустики, несомненно, были Герман Гельмгольц и лорд Рэлей, которые во второй половине XIX в. выполнили — независимо друг от друга — ряд фундаментальных теоретических работ. Сейчас Гельмгольц известен преимущественно своими работами по теории резонаторов[2], а славу Рэлею наряду с другими его трудами принес трактат «Теория звука», опубликованный в
Исследования шума и возможностей борьбы с ним, начатые несколько позже, первое время ограничивались вопросами, связанными с наземным и воздушным транспортом, а также работами по архитектурной акустике; но вскоре эти исследования значительно расширились и теперь охватывают все аспекты проблемы. Сейчас почти в каждой промышленно развитой стране существует научное акустическое общество, и список публикаций по вопросам шума непрерывно удлиняется. Современная акустика включает такие различные области, как ультразвуковая технология, имеющая огромное практическое значение для промышленности, подводная акустика, гидролокация, проблемы вибраций, музыкальной акустики, аудиологии и т. д. Акустику преподают в высших учебных заведениях, и многие крупные промышленные предприятия организуют собственные лаборатории для акустических исследований.
И все же, если попросить неспециалиста дать точное определение децибела, редко можно услышать нечто вразумительное. Как-то я посетил предприятие, на котором остро стояла проблема шума, и мой клиент, квалифицированный инженер, приветствовал меня задорным восклицанием: «Я и сам все знаю про шум, вы измеряете его в Изабеллах!». А владелец одной фабрики распорядился установить во всех цехах микрофоны и соединить их с усилителями и громкоговорителями, размещенными снаружи на пустыре, для того чтобы микрофоны всасывали цеховой шум, а громкоговорители выводили его наружу! Само слово «акустика» для многих служит символом неких таинственных явлений, и мистического искусства.
В пятом классе школы на уроках физики детям объясняют, что такое звук; многие мальчики вертели в руках камертон, знают о длине волны и частоте; юным музыкантам рассказывают о колебаниях струн, о трубах и обертонах, но дальше этого обучение продвигается очень редко.
Конструкторы современных сложных машин несут на себе всю тяжесть ответственности за сильнейшее раздражение, которое шум вызывает у большого числа людей, но тем не менее в своей профессиональной подготовке конструкторы почти не получают сведений относительно шума и способов его предотвращения. Только в последнее время аудитории высших учебных заведений стали заполнять те, кто более не может обойтись без знания акустики.
Борьба с шумом как объект серьезного изучения вышла на беговую дорожку технического соревнования с большим опозданием. По-видимому, шум считался либо дозволенным, либо просто неизбежным. Год за годом все пожимали плечами и полагали, что это одна из тех проблем, с которыми все равно никто не справится. У тысяч рабочих и работниц хлопкопрядильных фабрик уже после нескольких лет работы возникает стойкое повреждение слуха; котельщики даже щеголяют тем, что после клепальных работ внутри котла они целую неделю ничего не слышат; но мало кто относится к этим фактам иначе, чем к обычным невзгодам, связанным с профессией. Повреждения слуха, официально обозначаемые как «понижение слуха, обусловленное шумом», настолько распространены, что стало совсем не просто проводить обследования с целью установления критерия «нормального слуха». Мало кто из отбывавших действительную военную службу избежал повреждения слуха от орудийной стрельбы. В кабинах грузовиков с дизельными двигателями шум достигает чрезмерно высокого уровня, и почти на всех заводах имеются цеха, где уровень шума опасен для слуха. Молодежь рискует получить непоправимые повреждения слуха на концертах бит-групп и других модных музыкальных ансамблей. Вообще говоря, работа в промышленности всегда связана с повреждениями слуха: недавно один инженер по звукофикации, работающий в крупном предприятии кинопроката, отметил, что в кинотеатрах на севере Англии всегда устанавливается более высокий уровень звука, чем на юге страны[4].
Почему так много шума? Что это — неизбежность или невежество? Шум — побочный продукт. Однако, например, в химическом производстве побочный продукт всегда означал бы какую-то потерю прибыли, и инженеры быстро отыскали бы способ использовать его. Доля же энергии, затрачиваемая на создание шума так ничтожна, что этой потерей можно полностью пренебречь. Так, при работе ракетного двигателя общей мощностью, скажем, в несколько сотен тысяч киловатт утечка энергии в форме шума составляет всего несколько десятков киловатт. К тому же устройство человеческого уха таково, что шум ракетного двигателя оказался бы практически неслышимым только в том случае, если отношение мощности шума к мощности двигателя удалось бы снизить до одной десятимиллиардной (1 : 1010)! Очевидно, какой-то уровень шума неизбежен, и ракетный двигатель никогда не будет звучать, как шепот. Но в подавляющем большинстве случаев шум можно существенно ослабить, и это не делается только потому, что ни конструкторы грохочущих машин, ни те, кто на этих машинах работает, не знают, как снизить шум, либо не имеют на это средств. При наличии денег на соответствующие переделки лишь очень и очень немногие задачи по устранению шума оказываются неразрешимыми, и всегда следует помнить, что экономика — такая же неотъемлемая часть борьбы с шумом, как и акустика.
Некоторые считают, что рост промышленной продукции, обусловленный автоматизацией и общим увеличением скорости работы механизмов, сводится почти на нет из-за падения производительности труда, вызванного усилением шума. Это, возможно, преувеличение, но, без сомнения, снижая уровень шума на заводе, можно существенно поднять производительность труда рабочих. Борьба с шумом обходится так дорого, потому что требуется уменьшать уже существующий шум: переделать готовую машину или установку часто оказывается вдвое дороже, чем предусмотреть соответствующие меры по снижению шума еще в техническом проекте. Но если из-за шума, сопровождающего новый производственный процесс, завод должен будет приостановить работу по постановлению суда, то он понесет убытки во много раз большие, чем расходы, которые потребовались бы на своевременное снижение шума.
Человек достиг высокого уровня цивилизации, в частности, благодаря своей способности к общению, а связь посредством звуков — одна из двух основных форм общения людей. Шум препятствует этому общению, он обедняет нашу жизнь, снижает нормальную активность человека. Более того, шум может заглушить сигнал опасности, предостерегающий крик, и тогда не исключены роковые последствия. Очень часто первым признаком неисправности работающей машины служит появление необычного шума, который может быть предупреждением о всех возможных последствиях дефекта — от простой поломки до взрыва. Но если общий уровень шума на предприятии высок, такие сигналы пройдут незамеченными.
В последние годы мы стали свидетелями резкого усиления интереса к проблеме шума со стороны правительственных организаций, и это касается не только Англии, но и США и многих других стран. Англия одной из первых привлекла к борьбе с шумом законодательство: в
В результате указанной законодательной деятельности особенно возросла потребность в практических знаниях о шуме. Бессмысленно издавать законы, которые не получат применения. Для того чтобы осуществить надлежащий контроль и уменьшить государственные расходы на выплату компенсации, сейчас, как никогда прежде, необходимо научить разбираться в проблеме шума и возможностях борьбы с ним плановиков, конструкторов, администраторов. Даже если им не придется непосредственно заниматься технической стороной дела, они смогут понять, о чем идет речь и принять правильное решение своевременно, когда еще можно что-то исправить, а не после того, как допущенная грубейшая ошибка заявит о себе шумом.
В первую очередь следует положить конец безответственности и невежеству. Наукообразные разговоры о децибелах больше не должны сбивать всех с толку, акустика должна занять свое место на переднем крае конструкторских работ и ее требования должны учитываться уже на стадии проектирования. Население необходимо ознакомить с существующими нормами, чтобы люди не мирились с излишним шумом. Инженерам следует изучить проблему шума настолько, чтобы знать, когда шум возможно ограничить, и разбираться в указаниях специалистов-акустиков. Соображения экономии больше не могут служить лимитирующим фактором при проектировании устройств для снижения шума: в частности, уже созданы авиационные двигатели, которые отвечают не только соответствующим техническим и экономическим требованиям, но и установленному предельному уровню шума.
И если мы хотим иметь более тихое будущее, подобную линию поведения должны проводить как промышленность в целом, так и правительство.
2. Воздух, волны, звук
Разумеется, шум — это просто один из видов звука. Обычно шум называют «нежелательным звуком», что в известной мере справедливо. Но то, что для одних ушей — шум, для других — музыка. Рев самолета, проносящегося над крышей дома, невыносим для несчастного жильца. Но как он радостен для жены летчика-испытателя, возвращающегося из первого полета! Так или иначе, всякий шум — это звук, и, прежде чем пускаться в изучение сложных методов ослабления шума, необходимо как следует понять, что же такое звук вообще.
Удивительно, что многие люди, изучавшие еще в школе звук, колебания и волны, сохранили впечатление, что волнистые линии на картинке в учебнике дают как бы «портрет» звуковой волны и что воздух заполнен невидимыми волнистыми линиями, исходящими от каждого источника звука. Все это, конечно, не так, и мы не сможем двигаться дальше, не уяснив природу звука.
Звук можно создать в любой среде. Мы привыкли наблюдать его в воздухе, но его можно обнаружить и в воде, и в бетоне и практически в любом твердом веществе, в любой жидкости, в любом газе; звука не может быть только в пустоте. Таким образом, прежде всего нам следует поговорить о свойствах среды, а так как большая часть звуков, которые мы слышим, приходит из воздуха, то в качестве примера нам лучше всего взять именно воздух. Если кому-либо трудно представить себе, что звук может приходить не только из воздуха, пусть он прижмет свои ручные часы ко лбу: если вокруг тихо, то при достаточно остром слухе он услышит тиканье, звуки которого, минуя воздух, прошли через металл часовой крышки и кости черепа.
Воздух упруг. Если эти слова вызывают у нас ассоциацию с резиной, а сходства между воздухом и резиной, как мы отлично знаем, никакого нет, то следует забыть привычный смысл этого слова и вспомнить, что, когда сжимают какой-либо объем воздуха, например в велосипедном насосе, воздух всегда стремится вернуться к прежнему состоянию. Именно это и означает слово «упругий»: если деформировать упругое тело, оно сопротивляется деформации и стремится восстановить свое исходное состояние. Свойство, обратное упругости — пластичность. И здесь опять же нужно представлять себе не пластмассовую миску для мытья посуды, а какое-либо вещество, которое после деформации сохраняет вновь приобретенную форму. Материал, из которого сделана миска, потому и называют пластмассой, что он «термопластичен», то есть обладает пластичностью в горячем состоянии (при охлаждении она утрачивается). Чтобы среда могла проводить звук, она должна быть упругой; в отсутствие упругости в среде невозможно волновое движение, которое и есть звук.
Предположим, желая привлечь внимание какого-то человека, я бросил в него камешек. Если человек особенно нечувствителен и первый камешек не произведет впечатления — я могу бросить второй. Если человек решил не обращать внимания на мои выходки, то, вероятно, запас камней у меня скоро кончится. Но я могу применить более экономный способ обратить на себя внимание, — а именно, ткнуть в человека палкой. Преимущество этого способа заключается в том, что после каждого тычка палка остается у меня, и я смогу продолжать свои попытки до тех пор, пока либо не заставлю его взглянуть на себя, либо не получу сдачи! Замечательно, что эти два способа приставать к человеку принципиально различны действуя с равными силами, я могу одинаково ушибить человека обоими способами, но, бросая камни, я передаю не только силу, но и множество камней, а вот когда я толкаю человека палкой, то не передаю ничего, кроме силы! Замечательно: уже удалось наставить человеку синяки, а палка как была у меня, так и осталась! При этом от меня к нему не перешло ничего, кроме энергии. Точно так же, когда мы слышим издалека шум летящего самолета, мы получаем от него только малое количество энергии, но никакие частицы воздуха от самолета к нам не долетают, и никакие волнистые линии не устремляются сквозь воздух. В этом суть волнового движения.
Следует отметить еще одно обстоятельство: когда человека толкают палкой, она попеременно то прикасается к его руке, то отходит от нее, скажем, на
Однако мы еще не выяснили, почему упругость среды имеет столь существенное значение и каким образом энергия передается на расстояния гораздо большие, чем
Любое вещество — твердое, жидкое или газообразное — состоит из миллионов и миллионов крошечных молекул, расположенных, казалось бы, вплотную друг к другу. В действительности, однако, расстояния между молекулами не так уж малы по сравнению с их размерами, и молекулы удерживаются на этих расстояниях друг от друга благодаря действию сил, которое можно сравнить с действием пружин. Твердое вещество отличается от жидкости или газа только тем, что его молекулы образуют более или менее неизменную конфигурацию, а действующие между ними молекулярные силы велики. Однако в твердом веществе молекулы также отнюдь не остаются неподвижными — они непрерывно колеблются на «пружинах», связывающих их друг с другом. Чем более нагрето твердое тело, тем оживленнее движутся молекулы, а когда температура достигает точки плавления, твердое вещество превращается в жидкость[5]. Как в твердых телах, так и в жидкостях молекулы, находящиеся на поверхности, не имеют сверху «партнеров», с которыми они могли бы образовать молекулярные связи, но тем сильнее они связываются с ближайшими к поверхности молекулами, и это приводит к появлению поверхностного натяжения. Если продолжить нагревание, движение молекул усилится, связи их с «соседями» станут мимолетными, поверхностное натяжение исчезнет и жидкость испарится. Разумеется, испарение происходит и при температуре ниже точки кипения, потому что всегда существует некоторый постоянный поток молекул, отрывающихся от поверхности жидкости случайно. Существенно, что, хотя молекулы газа не имеют определенных связей со своими соседями, на них все же действуют сложные силы упругого типа, которые снова свяжут их и обратят газ в жидкость или в твердое вещество, как только температура понизится и молекулы замедлятся. Молекулы нечувствительны к тому, какие именно другие молекулы становятся их соседями, но сильно реагируют на степень их близости.
Из сказанного становится ясно, каким образом твердые тела, жидкости и газы проявляют упругость при приложении напряжения — молекулы либо теснее сдвигаются, либо расходятся, а их пружиноподобные связи сжимаются или растягиваются. Как только напряжение снимается, «пружины» вернут молекулы в исходное положение равновесия. О молекулах газа правильнее сказать, что «пружины» не оттягивают их в прежнее положение, а раздвигают друг от друга на прежнее расстояние[6].
Теперь представим себе длинную, наполненную воздухом трубу, с одного конца которой вставлен поршень (рис. 1). Можно было бы предположить, что если поршень быстро вдвинуть внутрь трубы, то весь столб воздуха одновременно продвинется вперед, освобождая место для поршня. Однако произойдет нечто совсем другое. Молекулы воздуха, удерживаемые на некотором расстоянии друг от друга силами упругого типа, — это мельчайшие частицы вещества, и, следовательно, они обладают массой. Каждая молекула все-таки кое-что весит, а поскольку она обладает массой, она проявляет инерционные свойства. Припомним первый закон Ньютона: каждое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из этого состояния. Например, как бы хорошо ни были смазаны петли тяжелой дубовой двери, чтобы закрыть ее, обязательно нужно приложить известное усилие, потому что из за своей массивности она как бы сопротивляется и не приходит сразу в движение Когда же она придет в движение, понадобится почти такое же усилие, чтобы ее остановить.