Co všechno můžeme slyšet

Renata Holubová

Úvodem

Naše smyslové orgány nám zprostředkovávají kontakt s okolním světem a činí tak s překvapující dokonalostí. Víme toho velmi mnoho o zraku, ale sluchový orgán je pro nás mnohem více neznámou oblastí. Příroda vytvořila akustický přijímač a analyzátor, který rekonstruuje z akustického pole objekty a události. Vlastní sluchový orgán je nesmírně jemný a citlivý. Vnímá intenzitu 0,5·10^-16 W·cm^-2, což při jeho povrchu asi 1 cm² znamená, že práh slyšení leží na hranici energetického důkazu 10 W zdroje ve vzdálenosti 1000 km (pokud mezi zdrojem a přijímačem není absorbující prostředí). Znamená to jinak, že v oblasti největší citlivosti v okolí frekvence 3 kHz zaznamená naše ucho slyšitelný zvuk již při rozkmitu vzduchových částeček o jednu milióntinu milimetru. Kdyby ucho bylo ještě o jeden řád citlivější, slyšelo by molekulární pohyb částeček vzduchu a vnímalo by jej jako šum.

Opravdové ticho je vzácné, za ticho považujeme nízkou hladinu hluku. Dlouhý pobyt v úplném tichu působí depresivně, naopak dlouhý pobyt v silném hluku vede k otupění citlivosti (nad 80 dB). Musí-li sluch sahat k obraně touto cestou často (zmenšení citlivosti sluchových nervů), nedochází k regeneraci citlivosti sluchových nervů, ztráta citlivosti je trvalá a neléčitelná.Po několika letech častého přetěžování klesá citlivost sluchu pod úroveň sluchové citlivosti velmi starých lidí. Pozorujeme-li mladé lidi se sluchátky od walkmenů na uších a uvědomíme si, jak často navštěvují diskotéky, jak hlasitě pouštějí svá rádia a přehrávače, přímo před očima vidíme, jak si dláždí přímou cestu k nošení pomůcek pro neslyšící. Veďme žáky k tomu, aby si vážili svého sluchového orgánu. Jednou z cest může být i zařazování jednoduchých experimentů, které by měly pomoci žákům uvědomit si základní vlastnosti sluchu a přesvědčit je o složitosti, nesmírné citlivosti a zranitelnosti našeho sluchového orgánu.

Jednoduché experimenty:

1. Do nafukovacího balónku dáme minci, balónek nafoukneme a kroužením roztočíme minci. Ozve se zvuk o frekvenci úměrné rychlosti mince. Průměr balónku je 25 cm, jeho obvod asi 0,78 m, obvod mince 5,3 cm (91 zoubků). Pro periodu oběhu mince 0,5 s naráží zoubky na blánu s frekvencí 2678 Hz, což odpovídá zvuku, který balónek vydává.

2. Papírový zesilovač. Pustíme walkmena na maximální hlasitost – slyší jen ti nejbližší. Smotáme arch papíru A4 do kornoutu, zasuneme do něj sluchátko – hudba, i když poněkud zkreslená, zní nyní hlasitěji.

3. Energie zvuku. Na horní otvor nádoby (plechovky) např. od Chappi dáme blánu a na ni nasypeme krupici. Ze strany do plechovky uděláme otvor, kterým prostrčíme láhev zbavenou dna. Voláme do láhve a pozorujeme pohyb krupice.

4. Umělé hromobití. Jedna osoba si obě ruce přitiskne na uši. Napříč přes hlavu a ruce napneme provaz, za který brnkáme jako za strunu. Nebo zavěsíme kus železa za dvojitý provázek za uši a na visící železu udeříme nějakým předmětem.

5. Zhasínání svíček. Papírovou trubici uzavřeme a do uzávěru uděláme malou dírku. Druhou stranu trubice uzavřeme pružnou blánou. Udeříme na blánu. Místo dírky v uzávěru trubice lze na její otevřený konec připevnit kornout - je-li průměr trubice 7 – 10 cm, stočíme kornout tak, aby úzký konec měl průměr 0,5 – 1 cm. Nyní stačí tlesknout v blízkosti napnuté blány a svíčka zhasne. Pozorujeme co se stane, hraje-li v blízkosti napnuté blány rádio. (obr. 1)

6. Akustické vnímání – směr odkud přichází zvuk. Jednomu žáku zavážeme oči a postavíme jej zády ke třídě. Do uší si vloží konce PVC hadice. Propiskou udeříme na předem označený střed hadice. Žák má uhodnout, odkud zvuk pochází. Při klepání na střed ukáže dopředu, posuneme-li se jen o několik cm od středu, ukázaný směr se hodně liší. Tento pokus lze provést i opačně, pomocí vnímaného zvuku lze určit, kde leží střed hadice. Nebo žák stojí asi 4 m od učitele se zavázanýma očima. Učitel pohybuje reproduktorem ve vertikálním a horizontálním směru. Žák je schopen rozeznat je pohyb horizontální.

7. Můžeme slyšet zvonek v láhvi? Připravíme si větší láhev, kterou uzavřeme gumovou zátkou. Dále si připravíme malý zvonek, který lze prostrčit hrdlem láhve. Pomocí ocelového drátu zavěsíme zvonek na zátku tak, aby po uzavření láhve visel asi uprostřed. Zatřepeme láhví. Uslyšíme zvonek ? (Ano.) V dalším nalijeme do láhve asi 20 ml vody a zahřejeme ji na bod varu. Necháme ji vařit asi 1 minutu. Poté uzavřeme láhev zátkou s visícím zvonkem. Asi po jedné minutě láhví opět zatřepeme. Slyšíme zvonek? (Téměř ne.)

8. Jak rychle se šíří zvuk? Postavíme se čelem k velké zdi. Ve vzdálenosti asi 10 m od zdi opakovaně udeříme o sebe dvěma tyčinkami a pomalu couváme směrem od zdi. V okamžiku, kdy uslyšíme ozvěnu úderů, upřesníme polohu tak, aby celá třída ozvěnu slyšela. Změříme vzdálenost od zdi. Minimální interval pro to, aby lidské ucho rozeznalo interval mezi dvěma údery je 0,1 s. Je-li interval mezi úderem a ozvěnou kratší než 0,1 s, je ozvěna neslyšitelná. Proto jsme neslyšeli ozvěnu, když jsme stáli jen 10 m od zdi. Jak zjistíme rychlost zvuku? Ozvěna je slyšitelná ve vzdálenosti asi 17 m od zdi. Tzn., že zvuk se šířil ke stěně a zpět (2x17 m) za 0,1 s. Tzn., že rychlost zvuku je asi 34 m/0,1 s neboli 340 m/s.

9. Připravíme si dvě stejné láhve. Jednu si otvorem přiložíme k uchu. Jiný žák v určité vzdálenosti fouká přes druhou láhev a vytváří tak zvuk. Co slyšíme? (Rezonance.)

10. Jednoduchý telefon. Vezmeme dlouhou PVC hadici, na oba její konce nasuneme nálevky.

11. Jednoduchá ilustrace rázů. Připravíme si dva stejně dlouhé rovné hřebínky s různým počtem „zubů“. Přiložíme-li je na sebe, uvidíme moiré vzor. Počet rázů na jednotku délky je roven rozdílu v počtu zubů na jednotku délky u obou hřebenů. (obr. 2)

12. Domácí fonograf. Najdeme starou gramofonovou desku a tužku, která přesně prochází středem desky. Tužku zasuneme asi 1 cm hluboko ostrouhaným hrotem směrem dolů. Vytvoříme tak „káču“ – desku lze roztočit na hrotu tužky na hladké podložce. Dále si připravíme tenký rovný špendlík, který zasadíme do ústí kornoutu, který získáme stočením papíru. Roztočíme desku, špendlík opatrně přiblížíme k desce a posloucháme. Při pokusu lze obměňovat velikost trychtýře, rychlost otáčení desky apod. (obr. 3)

13. Rezonance. Tenké vlákno délky 50 cm napneme mezi dva stojany. Vlákno je rovnoběžné s podložkou. Vytvoříme si 7 závěsů z téhož vlákna kratší délky se zátěží, které umístíme (zavěsíme) na napnuté vlákno. Délky závěsů jsou postupně 20 cm, 15 cm, 20 cm, 15 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm. Rozkýveme závěs 7 a pozorujeme ostatní závěsy (závěsy 4 a 2 začnou kývat spolu se závěsem 7).

14. Kmity vzduchového sloupce – píšťaly. Z tužší hadice PVC odřežeme kousky různých délek a vytvoříme škálu píšťal. Zvuk vzniká foukáním přes jeden konec hadičky, druhý utěsníme prstem. Jednotlivé píšťaly lze odlišit barevně a spojit ve foukací harmoniku.

15. Slyšet světlo. Vezmeme prázdnou sklenici od okurek (0,75 litru) a do šroubovacího uzávěru uděláme otvor o průměru 2-3 mm. Velikost sklenice není podstatná, ale větší sklenice pracují lépe. Pomocí zapálené svíčky začerníme zevnitř polovinu sklenice. Protilehlou polovinu necháme čirou. Víčko opět zašroubujeme a tvorem je přidržíme u ucha. Asi 50 W žárovkou (napájenou ze sítě) ozáříme čirou polovinu sklenice. Uslyšíme hluboký bručivý zvuk. Zvuk neslyšíme, přerušíme-li ručně tok světla. Jev je pozorovatelný jen v případě použití střídavého proudu. Světlo je absorbováno černou vrstvou a energie je ve formě tepla vyzařována do okolí. Vzduch je zahříván v rytmu střídavého proudu procházejícího žárovkou. Změny teploty vedou ke změnám tlaku – vznik zvuku. Ucho spolu se sklenicí představuje fotoakustický měnič – reaguje na slabé fluktuace světelného proudu. Co se našemu oku jeví jako stejnosměrný světelný tok, vnímá naše ucho jako periodicky se měnící.

16. Rezonance pomocí vinných lahví. Vezmeme láhev od vína (0,75 litru), klepeme ukazovátkem na dno a hrdlo láhve přibližujeme a vzdalujeme od ucha. Při určité vzdálenosti pozorujeme zesílení zvuku. Obdobně lze do láhve umístit začerněné těleso (kuličku z alobalu začerněnou svíčkou), ozářit ji žárovkou a hledat maximum bručivého tónu, který v láhvi vzniká obdobně jako v pokuse 15. Do láhve lze také umístit malý mikrofon a spojit jej s počítačem, který pomocí vhodného programu provede rychlou Fourierovu analýzu a zobrazí pokles frekvence v závislosti na vzdálenosti hrdla láhve od ucha.