XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021
Люди давно начали изучать мир вокруг себя, но он все также остаётся неизведанным. Мы можем лишь предполагать, сколько всего неизведанного лежит под завесой тайны мира. Но, тем не менее, ученые постоянно пытаются найти, открыть не известные нам свойства.
В открытом космосе акустических волн нет, поскольку нет среды, необходимой для их распространения. Впечатляющий грохот взрывающихся во время битвы космических кораблей не более, чем фантазия режиссера возможно не знающего основ физики космоса. Ведь всем известно, что в вакууме звук не распространяется, и галактические баталии, если они, когда-нибудь начнутся, будут для стороннего наблюдателя совершенно бесшумны. Однако в некоторых особых случаях, как оказалось, звук может перемещаться между объектами в вакууме: от объекта к объекту.
Что такое звук?
Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением сбалансированного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Звуковые волны — это колебания атомов какой-либо среды [1,2]. Если частота таких колебаний, ниже или выше акустического диапазона, воспринимаемого человеком, они называются инфразвуком или ультразвуком соответственно. Физически они идентичны звуку, поэтому нижеследующее справедливо и для них.
Звуковая волна, звуковое поле и акустический сигнал – понятия, тождественные звуку, хотя применяются в разном контексте. Но следует различать звук как физическое явление и слуховые ощущения – как явление психическое. Фронт волны – это поверхность, образованная точками среды, находящимися в одной фазе колебания.
Фонон является коллективным возбуждением в периодическом, упругом расположении атомов или молекул в конденсированных средах, в частности, в твердых телах и некоторые жидкостях. Часто назначена квазичастица, это возбужденное состояние в квантовом — механическом квантовании из мод колебаний упругих структур взаимодействующих частиц. Фононы можно рассматривать как квантованные звуковые волны, аналогичные фотонам как квантованные световые волны. Если размеры источника звука меньше длины излучаемой им волны и расстояние до приёмника невелико, фронт звуковой волны можно считать сферическим. Если же размеры излучателя значительно больше длины волны или расстояние до приёмника значительно – фронт звуковой волны можно считать плоским. Понятие сферических волн применимо в основном для низких частот на малых расстояниях от источника – вдали их можно считать плоскими из-за большого радиуса кривизны. Плотность энергии сферической волны снижается при расхождении – до приёмника доходит лишь незначительная часть излучённой энергии. Излучатель, сильно вытянутый в одном направлении, на низких частотах создаёт цилиндрические волны. Звуковое давление снижается с увеличением расстояния до источника звука вследствие трения, причём высокочастотные волны теряют энергию быстрее низкочастотных волн с плоским фронтом излучения, производя больше трения.
Вакуум (от лат. vacuus — пустота) — пространство , свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного .
Практическое применение
Передать звуковые колебания в космосе невозможно? Экипаж МКС свободно общается с Землей по радиосвязи, а еще более простой и очень эффектный метод передачи звука в космосе обнаружил недавно физик из Финляндии Мика Прунила (Mika Prunnila) с коллегами. Звук никак не может распространяться в вакууме, так как нет колебательной среды. Однако звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект, получил название «вакуумное туннелирование фононов».
«Вакуумное туннелирование фононов»
Этот эффект был описан сразу в двух статьях, опубликованных в выпусках журнала Physical Review Letters [3,4]. Сразу же отметим, что, поскольку колебания кристаллической решетки переносят не только звук, но и тепло, новый эффект приводит также к аномально сильной теплопередаче через вакуум. Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, доходя до окончания одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом край вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле.
Рис.1. Переход электромагнитных волн из одного тела в другое,
порождая звуковые волны в нем
В целом это выглядит так, словно отдельный фонон — «квант» колебания кристаллической решетки — перескакивает из одного кристалла в другой сквозь вакуум и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет. Авторы этого открытия использовали для характеризации приема слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перебегают через энергетически запрещенные области. Однако стоит подчеркнуть, что новое явление можно описать на языке классической физики и вовсе не требует вмешательства квантовой механики. Оно в чём-то схоже с явлением электромагнитной индукции, которое используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.
Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теоретической статье финских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики.
Рис.2. Использование п ьезоэлектриков как элемент датчика [5] давления
Пьезоэле́ктрики
Пьезоэле́ктрики — диэлектрики , в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуци ровать э лектрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект) [6]. Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 —1881 гг. Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления (рис.2). Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Достаточно взять достаточно чувствительный пьезоэлектрик, который под механическим воздействием звуковой волны — скажем, внутри космического корабля — будет деформироваться и, как следствие, создавать электромагнитное поле. Полю этому никакой вакуум нипочем, и оно будет распространяться, воздействуя, в том числе, и на работающий с ним «в команде» второй пьезоэлектрик — например, расположенный внутри второго корабля. Тот будет деформироваться и порождать механические колебания воздуха. Звук пошел.
Пьезоэлектрики могут иметь большое будущее: при все большей миниатюризации электронных компонентов то незначительное количество энергии, которое они позволяют давать, может оказаться вполне достаточным для питания множества перспективных инструментов.
Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика , изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца .
Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%. Исследователи говорят, что промежуток не должен быть особенно маленьким, а эффективность переноса звука должна меняться в зависимости от частоты звуковой волны и угла, под которым волна «входит» в первый кристалл. Некоторые комбинации волн, почти не теряют энергию, при перепрыгивании вакуумного промежутка.
В рамках новой теории ученые описывали электромагнитные взаимодействия между атомами двух материалов при помощи микроскопических уравнений Максвелла . Эти уравнения не используют понятия диэлектрической проницаемости (которое работает только на больших масштабах), а рассматривают в качестве основного параметра частоту колебаний атомов в атомной решетке. Передачу энергии ученые описывают при помощи функции Грина — классического метода решения подобных задач.
Список литературы.
1. Негров Д.А. Ультразвуковые колебательные системы. Омск: Изд.ОмГТУ, 2012. – 128 с.
2. https :// sfiz . ru / news / newsfiz / zvuk _ mozhet _ peredavatsja
3. Altfeder I., Voevodin A., Roy A. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 October 2010).
4. Prunnila M., Meltaus J.. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (2010); arXiv:1003.1408.
5. Kittel A., Müller-Hirsch W., Parisi J. et al. Near-Field Heat Transfer in a Scanning Thermal Microscope, Phys. Rev. Lett. 95, 224301 (2005)
Почему звук в вакууме не распространяется?
Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины.
Остальные ответы
там нечему колебаться
Звук в привычном нам понимании это колебания какого-то вещества, а в вакууме никакого вещества нет
Евгений ГоловченкоЗнаток (312) 2 года назад
Ой. Ещё один стереотипномыслящий. Вакуум-не пустой, на самом деле. Расширь своё сознание! «. даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр»-Wikipedia.Также, привет тебе, и твоим коллегам, передаёт квантовая теория поля, которая также утверждает, что вакуум-не абсолютно пустой, а в нём существуют «виртуальные частицы».
僕の 子猫 Оракул (52556) Евгений Чащин, Я так и знал что кто-то это напишет, хотел добавить в своем комменте про это, но не стал. Все понимают, что в вопросе идет речь о полном вакууме который полностью пустой
звук это колебания воздуха, в вакууме воздуха нет
нету воздух
Действительно. почему волны давления не распространяются в среде с нулевым давлением. хм.
потому что нет среды из атомов, по которой он будет распространяться
ПАТАМУШТА ЭТО ЗВУКОВЫЕ КОЛЛЕБАНИЯ. НЕТ СРЕДЫ КОТОРАЯ ПЕРЕДАЁТ ВОЛНУ нет звука.
Ровно потому, что в космическом пространстве МАЛО вещества, которое могло бы передавать механические возмущения в «достаточном количестве», так, чтобы твои хорошие ушки что-то услышали. Звуковая волна просто затихнет. И растворится где-нибудь в нигде.
Вакуум-не пустой. Вас всех что, из одного сарая выпускают?) Поначитались учебников за 8-ой класс, и считают себя умными) Нет никакого вакуума, алло! Пережиток прошлого, ошибка!
И, звук-не только «колебания воздуха». Это вообще прикол.
Потому что звук — это колебания вещества.
Для распространения звука нужна сплошная среда, состоящая из частиц имеющих массу. Это может быть, например, среда из атомов и молекул. То есть газ, жидкость и твердое тело. А вакуум не заполнен ни газом, ни жидкостью, ни твердым телом.
Оказывается, звук может передаваться в вакууме, только не очень далеко
Впервые ученые показали, что звук может проходить через пустоту вакуума. Однако этот трюк, нарушающий правила, требует особых условий и может быть осуществлен только на очень малых расстояниях.
В культовом слогане научно-фантастического фильма 1979 года «Чужой» говорится, что «в космосе никто не услышит твоего крика». Это объясняется тем, что космос — это вакуум, область, лишенная каких-либо частиц. Звуковые волны распространяются, проходя через частицы среды, например воздуха или воды, от источника к получателю. Таким образом, в вакууме нет никакой среды для распространения звука. Космическое пространство на самом деле не является полным вакуумом, поскольку содержит небольшое количество газа, плазмы и других частиц. Но эта материя окружена огромными пространствами пустоты.
Однако в новом исследовании, опубликованном 14 июля в журнале Communications Physics, ученые показали, что звук может перемещаться в вакууме. К сожалению, это не распространяется на человеческие крики.
В новом эксперименте исследователи передавали звуковые волны через вакуум между двумя кристаллами оксида цинка, преобразуя колебания в пульсации в электрическом поле между объектами.
Кристалл оксида цинка является пьезоэлектрическим материалом, то есть при приложении к нему силы или тепла он создает электрический заряд. Поэтому, когда на один из таких кристаллов подается звук, он создает электрический заряд, который вызывает искажение близлежащих электрических полей. Если кристалл имеет общее электрическое поле с другим кристаллом, то магнитное искажение может распространяться от одного к другому через вакуум. Помехи отражают частоту звуковых волн, поэтому принимающий кристалл может превратить помехи обратно в звук по ту сторону вакуума.
Однако искажения не могут распространяться на расстояние, превышающее длину одной звуковой волны. Теоретически это работает с любым звуком, независимо от того, насколько мала длина волны этого звука, при условии, что зазор между кристаллами достаточно мал.
Метод не всегда надежен. В значительной части экспериментов звук передавался между двумя кристаллами не полностью: части волны искажались или отражались при прохождении через электрическое поле, обнаружили исследователи. Однако иногда пьезоэлектрические кристаллы идеально передавали всю звуковую волну.
«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда вся энергия волны проходит через вакуум со 100%-ной эффективностью, без каких-либо отражений», — заявил соавтор исследования Илари Маасилта, физик-материалист из Университета Ювяскюля (Финляндия).
По словам ученых, это открытие может в будущем помочь в разработке микроэлектромеханических компонентов, подобных тем, которые используются в смартфонах и другой технике.
Звук может передаваться в вакууме
В открытом космосе, согласно учебникам физики вас никто не услышит. Слышны только космические корабли из Голливудских фильмов, по-типу «Чужие». Однако в некоторых особых случаях, звук может перемещаться между объектами в вакууме от объекта к объекту, сообщает NewScientist.Com.
Как мы знаем из школьного курса физики: звуковые волны распространяются в твердых, газообразных и жидких средах, посредством колебаний частиц среды. Само собой разумеется, что они не смогут проходить через пустое пространство, где нет частиц (атомов, молекул) способных вибрировать.
Финские ученые Мика Пруннила (Mika Prunnila) и Йоханна Мелтаус (Johanna Meltaus), из исследовательского центра, расположенного в городе Эспоо, предполагают пока только теоретическую схему, показывающую как звук может совершать прыжок через вакуум разделяющей два объекта из пьезоэлектрических кристаллов. Эти кристаллы генерируют электрическое поле, они сжимаются или растягиваются под действием звуковых волн или других сил, и в итоге созданное электрическое поле изменяется.
Когда звуковая волна достигает края одного кристалла, электрическое поле, связанное с ним и проходящее через вакуум, может измениться и деформировать другой кристалл, порождая в последнем звуковые волны. «Это как если бы звуковые волны даже и не знали о вакууме – а просто проходили напрямую», говорит Пруннила.
Исследователи говорят, что промежуток не должен быть особенно маленьким, а эффективность переноса звука должна меняться в зависимости от частоты звуковой волны и угла, под которым волна «входит» в первый кристалл. Некоторые комбинации волн, почти не теряют энергию, при перепрыгивании вакуумного промежутка.
Команда надеется показать эффект экспериментально в ближайшее время. «Такая работа интересна с фундаментальной точки зрения», говорит Чэнь Ган из Массачусетского технологического института.