Приключения радиолуча

Скорость волны зависит от природы жидкости, в которой она возникла. В более вязких по сравнению с водой жидкостях типа меда или сиропа волна бежит с меньшей скоростью и затухает гораздо скорее, чем в воде.

Но почему же волна продолжает распространяться даже после того, как возбудивший ее камень уже покоится на дне? Камень нарушил равновесие воды и привел ее в колебательное движение, а оно уже продолжает существовать независимо от вызвавшей его причины.

При первом взгляде на волну почти наверняка покажется, что частицы среды движутся, текут вместе с волнами. Однако начальное впечатление обманчиво. Волна бежит, а ее частицы остаются практически на своих местах. Щепки качаются на волнах, не приближаясь к берегу и не удаляясь от него.

Это свойство отметил еще в пятнадцатом столетии Леонардо да Винчи. Он писал о волнах: «Импульс гораздо быстрее воды, потому что многочисленны случаи, когда волна бежит от места своего возникновения, а вода не двигается с места, — наподобие волн, образуемых в мае на нивах течением ветров; волны кажутся бегущими по полю, между тем нивы со своего места не сходят». Ясно, Леонардо сознавал, что в то время как волна движется от одного места к другому, вода не идет вместе с ней. Волна — словно летящее известие: «Где-то что-то произошло». Она — возбужденное состояние среды. Сама среда, как и колосья нив из примера Леонардо, остается на месте, а бежит вперед лишь ее возбуждение.

Если подержать палец достаточно низко над поверхностью воды, то можно ощутить каждый проходящий гребень волн, разбегающихся от места падения камня. Расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называют длиной волны. Ее обычно обозначают греческой буквой (лямбда).

Легко можно измерить и другую важную характеристику волны — частоту ее колебаний. Для этого нужно в момент касания пальца гребнем волны запустить секундомер и считать следующие набегающие гребни. Их количество за одну секунду есть значение частоты колебаний. Ее обычно обозначают латинской буквой f. Измеряют ее в герцах (сокращенное обозначение Гц), Единица измерения частоты названа так в честь немецкого ученого Генриха Герца, впервые экспериментально получившего радиоволны. Один герц означает, что за одну секунду гребень волны касается пальца один раз, два герца — два раза и так далее. Частота характеризует не только волны, но и любые колебания. Например, для маятника часов частота будет равна количеству колебаний маятника в секунду.

Есть еще одна характеристика колебаний, которой часто пользуются: это время, за которое совершится полный цикл одного колебания. Его называют периодом и часто обозначают буквой Т. Для козьмыпрутковского примера период равен промежутку времени, которое пройдет между двумя последовательными касаниями пальца гребнем волны. Для маятника настенных часов период — это время, за которое он вернется в первоначальное крайнее положение. Чем чаще колеблется волна, то есть чем выше ее частота, тем меньше период. Значит, частота и период — величины взаимосвязанные, а точнее — их зависимость обратнопропорциональная. Зная частоту, можно найти период колебания и наоборот. Математически их взаимосвязь выражается просто f= 1/T. Перейдя к волнам и памятуя о том, что длина волны есть расстояние между двумя гребнями, можно без труда написать формулу для ее определения = vTили, иными словами, длина волны есть расстояние, которое волна проходит за один период колебания.

Кстати, шкалы радиоприемников, которыми мы пользуемся, градуируют по-разному: когда дают длины волн в метрах, а когда частоту в килогерцах (один килогерц равен тысяче герц, то есть тысяче колебаний в секунду) или в мегагерцах (мегагерц равен миллиону герц, то есть миллиону колебаний в секунду). Сопоставить эти две зависимые величины нетрудно. Из двух вышеприведенных формул легко получается полезная для нашей повседневной жизни (ведь все мы пользуемся радио и телевидением) формула = c/f. Латинской буквой «с» обозначена скорость света в воздухе, ее мы поставили вместо v. Именно с такой скоростью, как мы знаем, «бегут» радиоволны. Для практических расчетов ее принимают равной 300 тысячам километров в секунду. Если мы хотим перевести частоту колебаний волн в мегагерцах в длину волны в метрах, то удобно пользоваться таким простым соотношением (м) = 300/f (Мгц).

Вот еще одна характеристика колебаний, а следовательно и волн, которая часто упоминается, — амплитуда. У моряков есть такой термин: «глубина зыби». Это вертикальное расстояние от впадины до гребня. Амплитуда — половина глубины зыби. Чем большего размера камень мы бросим, то есть чем больше мы затратим энергии, тем больше будет и амплитуда волны.

Амплитуда, частота, длина волны — эти характеристики довольно наглядны, зримы. Но вот такое фундаментальное, можно сказать, понятие, как фаза, пожалуй, сложнее. Чтобы почувствовать его смысл, опять вернемся к нашему водоему и одновременно бросим в него два камня, только в разные места. От каждого камня по воде побегут волны, и в конце концов они достигнут какой-либо щепки, выбранной нами для наблюдений. Щепка начнет качаться на волнах вниз-вверх. Возникает вопрос: будет амплитуда качки больше или меньше, чем при бросании одного камня? Как мы знаем из опыта, может быть и так и этак: все зависит от того, в какой фазе придут к щепке обе волны. Если месторасположение щепки таково, что до нее доходят первые гребни от каждой волны одновременно, то к ней одновременно будут приходить и все последующие впадины и гребни каждой из волн. Тогда амплитуда качаний щепки будет в два раза большей, чем при бросании одного камня. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. Строгости ради надо сказать, что для упрощения ситуации молчаливо предполагалось условие: оба камня одинаковы и падают с одной и той же высоты. Тогда и вызванные ими волны одинаковы.

Но может быть и такое, что к щепке одновременно придут гребень одной волны и впадина другой. Поскольку мы посчитали волны одинаковыми, то гребень и впадина погасят друг друга и щепка не шелохнется. В этой ситуации говорят, что волны пришли в противофазе.

Между рассмотренными двумя крайностями — от двукратного усиления суммарной волны до ее полного погашения, разумеется, возможны промежуточные варианты, и суммарная волна может быть и посильнее и послабее каждой из волн. Что же определяет те точки, где волны встречаются либо в фазе, либо в противофазе? Очевидно, разность расстояний от щепки до мест падения камней.

Из приведенного примера понятно, что фаза — это состояние колебательного или волнового процесса в данный момент времени. Когда две волны прибегают в какую-либо точку в одинаковом состоянии, то есть в фазе, то говорят, что разность фаз равна нулю, и при наложении волн, как мы видели, амплитуда волны возрастает. Если их состояние противоположно, например, у одной волны — гребень, у другой — впадина, то разность фаз равна 180 градусам. Как и углы в геометрии, фаза измеряется в градусах или радианах.

То явление, что мы рассмотрели — усиление или ослабление волн (не обязательно двух) при наложении (или, по-научному, суперпозиции) в зависимости от разности их фаз, — называется интерференцией. Поскольку мы живем в мире волн, то часто с ней встречаемся. Например, в концертных и кинозалах, когда в результате интерференции музыка с некоторых мест практически не слышна.

Рассмотренная нами картина распространения волн на поверхности воды довольно приближенная, но ее вполне достаточно, чтобы напомнить о таких основных параметрах волны, как частота, длина волны, скорость распространения, амплитуда, фаза.

НА СУШЕ И НА МОРЕ

Обратимся к научному определению волны, данному в «Физическом энциклопедическом словаре»: «Волны — это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию… Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в том, что в волнах осуществляется перенос энергии без переноса вещества (последний может иметь место как побочное явление). Волновые процессы встречаются во всех областях физических явлений, поэтому их изучение имеет большое значение…»

Да, мир полон волн! Рвущаяся наружу энергия недр нашей планеты разносится от эпицентра подземными волнами землетрясений и их морскими собратьями — цунами. Наш спутник Луна вызывает приливные волны. В океане изредка прогуливаются «волны-людоеды». Еще в прошлом веке моряки передавали из уст в уста страшные истории. Будто без вести пропадают суда у африканских границ Индийского океана, а волны «пожирают» людей. Многие моряки недоверчиво посмеивались, считая, что это все сплетни, пока в 1979 году не произошла история с тяжелогрузным танкером «Синклер» у южных берегов Африки. Синоптики предсказывали, что через несколько часов танкер войдет в зону шторма, и команда крепила груз на палубе. Вдруг кто-то закричал. Все замерли в ужасе. Со стороны океана при полном безветрии на танкер надвигалась волна высотой с десятиэтажный дом. Люди ухватились за что попало. Бежать было поздно, чудовищная волна надвигалась с огромной скоростью. Масса воды обрушилась на палубу. Танкер завертелся, как пробка в водовороте. Многих недосчитались тогда. И приведенная история далеко не единственная. Одним ударом такая волна может подмять под себя могучий сухогруз, переломить стальной хребет танкеру.