публичный образовательный интернет-портал

Ужас, летящий на крыльях ночи или Секрет профессора Доплера

1297 24/07/2022
Тэги: #физика
Летучие мыши страшны и ужасны
Летучие мыши в полёте
Летучие мыши в полёте

Демоны на перепончатых крыльях

Летучие мыши – странные и несимпатичные создания. Они бодрствуют ночами, проносятся над головой, довольно явственно хлопая перепончатыми крыльями. Они спят днём, повиснув вниз головой и уцепившись когтистыми лапами за ветки или камни. Причём, как существа стадные, они отдыхают в таком положении всей стаей. Гроздья существ, покрытых короткой шерстью с кожаными крыльями и отвратительными мордами – зрелище не для слабых.

Летучих мышей считают вампирами, хотя кровососов среди них немного. Некоторые из летучих мышей – растительноядные. По большей же части они охотятся на мелкую живность, вроде комаров, и в этом смысле они, наверное, даже полезны.

Впрочем, после пандемии COVID-19 у летучих мышей всё равно плохая репутация. В силу особенностей своей иммунной системы мыши не восприимчивы ни к каким вирусным заболеваниям, кроме бешенства. И именно поэтому сами вирусы в их организме не погибают, а приспосабливаются и мутируют. Более того, поскольку летучие мыши живут стаями, насчитывающими тысячи особей, любые мутации мгновенно распространяются на всю стаю. По оценке микробиологов, в стае летучих мышей живут от 50 до 200 различных вирусов. Что получается в результате? Своеобразный биологический инкубатор, в котором производятся вирусы, чрезвычайно заразные и почти летальные для других организмов.

Факундо Бакарди сделал торговой маркой летучую мышь
Факундо Бакарди сделал торговой маркой летучую мышь

Дверца инкубатора смертельных инфекций открыта. Вирусы содержатся в слюне летучих мышей, в фекалиях, покрывающих полы и стены пещер, где живёт стая. Ну, и конечно, съев летучую мышь легко подхватить какую-нибудь жестокую и смертельную болезнь. Даже того хуже, выпустить в мир очередную пандемию. Поэтому лучше держаться от этих тварей подальше.

Однако, в некоторых странах к летучим мышам относятся дружелюбно. Например, в Каталонии считается, что летучая мышь приносит в дом благополучие, здоровье и достаток. Именно поэтому дон Факундо Бакарди, эмигрировавший из Каталонии на Кубу и вознамерившийся начать на острове производство рома, пришёл в восторг, обнаружив стаю летучих мышей под крышей дома, где он хотел организовать фабрику. Хороший признак! Летучая мышь, чёрная на красном фоне, стала логотипом производства знаменитого кубинского рома «Бакарди», которое, впрочем, после победы режима Фиделя Кастро переехало на соседний остров, в Пуэрто-Рико.

Почему они не расшибаются в полёте?

Изучение летучих мышей связано не только с той опасностью, которую они могут принести человечеству. Сами по себе эти млекопитающие, освоившие воздушное пространство, – удивительный живой механизм, чудо, возникшее в результате естественного отбора.

Эффект Доплера
Эффект Доплера

Летучая мышь приспособлена только для жизни в воздухе: кости её ног настолько тонки, что сломаются, если животное, в общем-то не тяжёлое, попытается опереться на нижние конечности. Летучая мышь может только висеть вниз головой, а в полёт переходит из падения. Кожаные крылья-перепонки работают лучше, чем крылья птиц. Поэтому мышь летает без звука и может делать резкие повороты. То, что летучие мыши совершенно свободно чувствуют себя в абсолютно тёмных помещениях, где даже совы теряют ориентацию, доказал в 18-м веке итальянский естествоиспытатель Ладзаро Спалланцани (Lazzaro Spallanzani; 1729 —1799). Он же предположил, что ориентироваться в темноте, обнаруживать и настигать добычу летучим мышам помогает своеобразная эхолокация: они издают короткие звуки, которые отражаются от преграды, и по этому эху летучие мыши ориентируются в абсолютной темноте. Никогда не врежутся в стенку и всегда найдут мелкую мошку.

Правда, хорошее объяснение? Даже первокласснику понятно. Именно так нам рассказывали в школе.

Теория и практика

Школьников такое объяснение устраивало, а зоологов – не очень. Во-первых, им было известно, что летучие мыши летают бесшумно, никаких звуков не издавая. Во-вторых, было неясно, как животные в стае отличают собственные локационные звуковые сигналы от сигналов, посылаемых другими особями. Наконец, было неясно, насколько точной является звуковая локация, если она и существует.

Доплер Конфект выпускают в Зальцбурге, на родине Доплера
Доплер Конфект выпускают в Зальцбурге, на родине Доплера

Когда физика продвинулась вперёд, и в конце 19-го века был открыт ультразвук, звуковые колебания имеющие слишком высокую частоту, чтобы различаться человеческим ухом. Оказалось, что как раз в ультразвуковом диапазоне летучие мыши издают очень короткие (длительностью от 0.01 до 0.02 секунды) и очень интенсивные ультразвуковые импульсы. Мощность ультразвукового сигнала была достаточной, чтобы по времени отражения посланного сигнала определить расстояние до стены пещеры, до дерева или до летящего насекомого. Ультразвуковая локация, как знают все, кто проходил УЗИ, позволяет определить также форму и размеры сканируемого предмета. А совсем недавно было сделано ещё одно открытие. Оказывается, ультразвуковой локатор, встроенный в организм летучих мышей, работает на порядок точнее, чем предполагалось, потому что использует эффект Доплера.

Эффект Доплера

Кристиан Доплер (Christian Doppler; 1803 —1853) родился в австрийском Зальцбурге, который в первую очередь все знают, как родину Моцарта. Доплер стал известным математиком и физиком. Он трудился в университетах Праги, в Венгрии и в Вене.

Эффект, впоследствии названный его именем, Доплер открыл на основе теоретических рассуждений. Он рассматривал случай, когда источник волновых колебаний и приёмник движутся друг относительно друга. Согласно расчётам Доплера, если расстояние между источником и приёмником волн сокращается, уменьшается и длина волны. Тон звуковых волн повышается, а цвет световых волн смещается в сторону фиолетовой части спектра. Если же взаимное расстояние увеличивается, увеличивается и длина волны. Тон звуковых волн сдвигается к басам, а цвет световых волн – к красной части спектра.

Экспериментально эффект Доплера для звуковых волн был подтверждён в 1850 году. В 1860 году Эрнст Мах предсказал, что эффект Доплера будет иметь место и для света. А сейчас эффект Доплера – одно из экспериментальных подтверждений теории Большого взрыва, объясняющей происхождение Вселенной. Слышали про красное смещение в спектрах разлетающихся галактик, открытое американским астрономом Эдвином Хабблом? Если же спуститься с небес на Землю, то и здесь эффект Доплера лежит в основе принципов работы звуковых радаров, систем навигации и даже для определения проблем, возникающих при сердечно-сосудистых заболеваниях. Этот эффект известен настолько, что в родном городе Доплера, Зальцбурге, выпускаются не только вкусные конфеты «Моцарткугель», посвящённые Моцарту, но и конфеты в честь другого знаменитого земляка, «Доплер Конфект».

Как это работает

Скорость полёта летучих мышей – от 20 до 50 километров в час. С этой скоростью животное летит навстречу звуковой волне, отразившейся от препятствия. Следовательно, частота звука, попадающего в уши летучей мыши немного выше, чем частота звука, излучаемого ею в полёте. Если же звуковая волна отразилась от движущегося предмета (например, от мошки или же от другой летучей мышки) это приведёт к дополнительным изменениям тона набегающей звуковой волны. Можно ли обнаружить эти изменения? Да. Существуют электронные схемы, действующие по принципу гетеродина и производящие вычитание одной частоты из другой. Благодаря такой схеме был изобретён новый электромузыкальный инструмент, терменвокс.

Аналогичный механизм сравнения излучаемой и принимаемой частот, естественно, не электронный, а биологический, имеется у летучих мышей. Благодаря этому механизму они прекрасно ориентируются и даже охотятся в абсолютной темноте. Недавно биологи установили, что летучие мыши не только используют действие эффекта Доплера, но и усиливают его, двигая ушами во время полёта.

При этом звуковая частота, на которой работает этот своеобразный биологический гетеродин, своя у каждой летучей мыши. Точно также голос каждого человека имеет свой тембр и поэтому его легко различить среди многих других. Летучая мышь громче всего слышит «свою» частоту. Сигналы же других членов стаи до неё доходят приглушённо, создавая звуковой фон, но не более того.    

Наука, конечно, захватывающе интересна. Но, к тому же, знание, как говорил давным-давно Френсис Бэкон, это сила. На основе изучения того, как действует орган слуха летучей мыши, оказалось возможным построить доплер-датчики звука для беспилотных летающих аппаратов. Ведь для беспилотника важной задачей является определение точного положения аппарата в пространстве, а также обнаружение и определение типа других летающих объектов. И чем точнее, тем лучше.

 


Text.ru - 100.00%