3.19. Акустическая тень

В Гражданской войне в США (1862–1865) командующие обеих сражающихся армий — федеральной и армии конфедератов — очень зависели от сигналов, оповещающих о начале сражения и местах дислокации войск. В некоторых случаях для того, чтобы атаковать неприятеля с двух разных направлений, командующие делили войско на две части. Скоординировать действия этих частей в то время можно было единственным способом — обеспечить, чтобы звуковой сигнал начала атаки одной части войска был услышан другой. Расчет на такой способ коммуникации казался разумным, поскольку эти части обычно располагались на расстоянии не больше нескольких километров друг от друга. Но иногда в решающие моменты он подводил.

Этот странный эффект был отмечен в июне 1862 года военным министром конфедератов и одним из его советников, наблюдавшими за битвой при Гейнс-Милл с вершины холма, находившегося не далее 2 км от поля сражения. В битве участвовало не менее 50 000 человек и более 100 артиллерийских орудий, издававших ужасный грохот, буквально оглушавший сражавшихся. Но оба наблюдателя, в течение двух часов следившие за этой битвой, не слышали ровным счетом ничего. Как такой ужасный шум сражения могли не услышать на расстоянии всего нескольких километров?

ОТВЕТ • Существует три главные причины того, почему эту невероятно шумную битву могли не услышать на расстоянии всего в несколько километров. 1. Густой лес мог мешать распространению звука, поглощая звуковые волны. 2. Звуковые волны, испущенные с уровня земли, вместо того чтобы пойти по более-менее горизонтальной траектории, шли по искривленной траектории вверх — из-за изменения температуры воздуха с высотой. 3. Траектория звуковой волны могла искривиться из-за ветра.

Поскольку первая причина не имела места, рассмотрим вторую и третью причины. Если температура воздуха уменьшается с высотой, звуковые волны, испущенные даже под небольшим углом к земле, в конце концов пойдут по более крутой траектории вверх и, следовательно, не достигнут наблюдателя, находящегося на земле в нескольких километрах от источника звука (рис. 3.3а). Но скорость ветра обычно увеличивается с высотой, и если звук распространяется в направлении ветра, его траектория изогнется уже в направлении земли, и тогда звук будет слышен (рис. 3.3б). Однако, если звук испускается против ветра, траектория звуковой волны изогнется вверх от земли, и звук услышан не будет.

Рис. 3.3 / Задача 3.19. а) Наблюдатели не слышали шума битвы из-за искривления траектории звуковой волны при падении температуры воздуха с высотой. б) Искривление траектории звуковой волны под действием ветра.

В некоторых сражениях Гражданской войны командующий оказывался с наветренной по отношению к месту сражения стороны, а скорость ветра в месте сражения значительно возрастала с высотой. Говорят, что командующий находился в акустической тени. Но еще более странные ситуации возникали, когда из-за температурного эффекта звуковая волна направлялась вверх, а потом под влиянием ветра отклонялась вниз, так что у земли она оказывалась далеко от места битвы. И тогда солдаты, находящиеся далеко от этого места, слышали шум битвы, а те, которые были совсем близко, ничего не слышали.