Кто вы? - Петрович Николай Тимофеевич - Страница 11

Синус обычно ассоциируется в сознании с треугольником. Мы с ним сталкиваемся в том или ином виде на протяжении всей жизни. Он же выражает временную зависимость отклонения маятника (качелей) от среднего положения. Поэтому колебания такого типа, с характерным плавным переходом из одного крайнего состояния в другое, получили название синусоидальных. Маляр и не подозревал, что совершает со своей спутницей путешествие по синусоиде. Максимальное отклонение качелей от нулевого положения называется амплитудой.

Колебания могут происходить не только по синусоиде.

Два примера. Электронный луч телевизионной трубки при развертке изображения совершает пилообразные колебания, похожие по форме на очертания зубьев пилы. Гейзер Великан (Камчатка) выбрасывает струю горячей воды в течение 4 минут, затем следует длительная пауза — 2 часа 55 минут. Амплитуда, или высота струи над поверхностью земли, достигает 40 метров. Такой режим работы называется импульсным, а его колебания — импульсными.

Обратимся к вращательному движению. Здесь мы тоже наблюдаем циклические повторения. Есть ли это колебательное движение? Оказывается, сумма двух синусоидальных колебаний равной частоты, сдвинутых под углом в 90 градусов, образует круговое движение. Давайте подадим на вертикальные и горизонтальные пластины телевизионной трубки (или осциллографа) одно и то же синусоидальное колебание. Это заставит электронный луч колебаться, как на качелях, одновременно и в вертикальной и в горизонтальной плоскости. На экране мы увидим неожиданный результат — идеально выписанную окружность.

Период вращательного движения, естественно, равен времени одного оборота.

Мы уже познакомились с разверткой колебаний во времени или с его временным ходом. Имеется второй метод графического изображения колебаний. Он особенно удобен при изображении нескольких колебаний с разными частотами. При этом используется ось частот (а не ось времени, как в первом случае). На этой оси каждое колебание изображается вертикальной линией, высота которой пропорциональна амплитуде колебаний. Такое изображение получило название спектрального. Пусть две струны колеблются одновременно. Одна с частотой F₁ = 200 герц, другая с частотой F₂ = 500 герц. Амплитуда колебаний первой равна одному миллиметру, а второй — двум миллиметрам. Временной ход и спектр этих колебаний показан на приведенном здесь рисунке.

В природе и технике мы сталкиваемся с великим разнообразием колебаний. Поразительно то, что, меняя всего лишь один их параметр — частоту колебаний, мы меняем их свойства, их природу. Века потребовались человеку, чтобы распознать единую основу в морских волнах и солнечном свете, в звуках и радиоволнах.

Спектр изученных человеком колебаний очень широк.

Начинается он от очень медленных механических колебаний в доли герца и кончается невообразимо быстрыми рентгеновыми и гамма-лучами с частотой в миллионы миллиардов колебаний в секунду. А между ними сколько разных пород колебаний: звуковые, радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи…

Таким образом, в наших колебательных джунглях скучать не будешь от однообразия видов.

Речь пойдет, конечно, не о восхитительной картине И. К. Айвазовского «Среди волн», почему-то недостаточно известной. Я как-то присел на минутку полюбоваться этим гигантским полотном, заполненным диким вихрем волн. Только волны. Кораблей нет. Людей нет. Берега нет. Только хаос возбужденной колебательной стихии. И не заметил, как провел у полотна два часа.

Что же такое волна?

Давайте выстроим шеренгу из старинных русских игрушек ванек-встанек. (Этот ванька обладает таинственной силой — нас так и тянет его валить и бесконечно наблюдать, как он бодро вскакивает.) Толкнем первого. Он начнет колебаться и передаст толчок второму, второй — третьему и т. д. Это простейшая модель преобразования колебаний источника в колебание, бегущее в пространстве. Такое распространяющееся в окружающей среде колебание образует волну. Почему она возникает?

Источник всегда окружен некоторой материальной средой. Возбуждающий элемент источника передает колебания непосредственно прилегающим к нему частицам среды. Они, в свою очередь, передают их своим соседям, более удаленным от источника, и т. д. Грубо говоря, генератор колебаний «раскачивает» окружающую среду, в ней возникают волны, распространяющиеся в этой среде. Частицы среды — лишь промежуточные ваньки-встаньки. Каждая из них колеблется, пользуясь модным словом, в своем микрорайоне. В этом легко убедиться. Ударьте пальцем по натянутой веревке. По ней побежит волна. Она передастся от элемента к элементу.

Меня много раз выручала эта волна в горах. Альпинистская веревка, часто называемая нитью жизни, имеет коварное свойство цепляться за все уступы, плохо лежащие камни и попадать в расщелины. Такое событие на трудной скальной стенке грозит печальными последствиями.

Но, пустив по веревке небольшую волну нужной амплитуды, удается освободить веревку и исключить опасность.

Следовательно, частицы среды не путешествуют вместе с волной. Ведь именно благодаря этому световые и радиоволны преодолевают силы тяготения без всяких усилий, без всяких ракетных двигателей. Это и создает предпосылки для радиоконтактов.

Из надписей на шкалах приемников познаются по крайней мере два факта:

— волны бывают разной длины (длинные, средние, короткие и ультракороткие);

— длина их обозначается таинственной буквой λ (лямбда).

Что же есть λ? Перенесемся мысленно на море. Плавая на морских волнах, вы чуть-чуть поссорились со своей подругой. Пребывание вместе на одном гребне волны стало принципиально невозможным. Ваша подруга переместилась на соседний гребень. Теперь расстояние между поссорившимися равно λ (при крупных ссорах дистанция в одну λ, вероятно, будет недостаточной). Итак λ — это расстояние, которое волна пробегает за время одного цикла или одного периода колебаний в среде, и называется длиной волны.

Подсчет λ прост: скорость распространения колебаний в данной среде надо умножить на время одного периода. По мере увеличения частоты длина волны, естественно, уменьшается.

Для радиоволн λ лежит в интервале от сотен метров до долей сантиметра. Световые волны пробегают за время одного периода всего лишь одну миллионную долю сантиметра. А для гамма-лучей это расстояние нужно еще уменьшить в миллион раз!

Радиоволны настолько вошли в наш быт, что стали почти домашними животными. А ведь было время, когда только один человек на Земле верил в возможности излучения и распространения радиоволн. Этот человек создал общую теорию взаимодействия электрических и магнитных нолей, выраженную им в строгой математической форме в виде уравнений.

Из уравнений следовал невероятный для того времени (1873 г.) вывод — можно создать радиоволны, которые будут распространяться на большие расстояния!