Текст книги "Приключения радиолуча"

Автор книги: Валерий Родиков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 23 страниц)

ВОЛНЫ ВОКРУГ НАС

УРОКИ КОЗЬМЫ ПРУТКОВА

Слово «радио» латинского происхождения. В переводе оно означает «испускаю лучи». Смысловое значение довольно точно отражает суть: радио имеет дело с выпущенными на волю радиоволнами. Они в зависимости от типа испускающих их антенн могут быть собраны в луч, а могут разбегаться во все стороны. Именно радиоволны явились тем корнем, из которого произросло радио, а затем и все производные от него ветви, столь густо опоясавшие наше сегодняшнее бытие.

Прежде чем войти в современный радиомир, остановимся на таком, казалось бы, простом вопросе – что такое волны? Эта остановка оправдана тем, что у волн самой разной природы есть нечто общее, а именно: на языке математики в самом общем виде они подчиняются одинаковым законам.

У Козьмы Пруткова есть классическое поучение: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою». Может, таким образом наши далекие предки и познакомились с волнами? Во всяком случае возможностей для наблюдения волн у них было предостаточно. На воде волны возникают с необычайной легкостью, достаточно лишь дуновения ветерка. Взволнованная поверхность воды кажется нам естественной и очевидной. Поэтому, наверное, при упоминании о волнах непроизвольно возникает навеянный тысячелетними наблюдениями образ волны на воде: нечто бегущее, регулярно повторяющееся в пространстве и времени. Воспользуемся и мы этой традиционной моделью волнового явления, чтобы уяснить основные его особенности.

Такой способ – изучение какого-либо явления с помощью модели – широко распространен. Например, авиаконструктор исследует аэродинамику самолета на уменьшенной его модели в аэродинамической трубе. По этому же принципу действует конструктор судов. Он изучает поведение модели проектируемого корабля в бассейне с водой. Ученые описывают и исследуют окружающий нас мир, создавая его абстрактные модели, называемые теориями. Научная теория – тоже модель. Так и волны от брошенных в пруд камней – наглядная модель волновых явлений разной природы, в том числе и радиоволн.

Почему образуется волна в эксперименте, который рекомендовал Козьма Прутков?

Ударившись о поверхность воды, камень вытесняет воду. Вытесненная вода вспучивается вокруг камня, образуя кольцевой холмик. Иногда вода выталкивается так быстро, что часть ее отрывается от поверхности и разбрызгивается во все стороны.

Водяной холм не остается неподвижным – вода вокруг места, куда упал камень, приходит в сложное колебательное движение. Каждый небольшой объем воды движется вверх и вниз и с некоторой задержкой во времени приводит в такое же движение соседние с ним объемы воды.

Не всякое колебательное движение является волновым. Например, маятник настенных часов совершает колебательное движение, но это отнюдь не волна. Физики относят маятники к системам с сосредоточенными параметрами. При анализе маятник можно заменить одной колеблющейся точкой. А для волны нужна среда, которую нельзя представить в виде одной точки. Она – непрерывная совокупность точек. Физики относят подобные среды к системам с распределенными параметрами. При волне соседние точки среды одна за другой последовательно приходят в движение. В этом главная особенность волны – она «бежит», то есть перемещается в пространстве. Если на поверхности водоема плавают какие-нибудь предметы, например щепки, то при прохождении волны они будут подниматься и опускаться: сначала те, которые поближе к месту падения камня, а затем и те, которые подальше, то есть волна «бежит» с определенной скоростью. В колебательное движение приходит не сразу вся поверхность водоема, а постепенно от места зарождения катится волна, сменяясь то гребнем, то впадиной. Как и всякую скорость, в учебных и научных изданиях скорость распространения волны часто обозначают латинской буквой V.

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 λ (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 λ= 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 λ = 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 λ (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.

Волна высотой в 30 метров образует воронку, в которую может провалиться даже очень крупное судно. Волны-гиганты встречаются в разных районах Мирового океана, но у южных берегов Африки они достигают самых больших размеров. Специалисты считают, что подобные волны – отголоски далеких штормов. Они возникают также, когда большая волна идет против морского течения. Так образуются особо опасные гребни.

Волны бродят не только на поверхности, но и в глубинах океана. Там их амплитуда достигает сотни метров. Явление мертвой воды, когда судно вдруг, будто натолкнувшись на какое-то вязкое подводное препятствие, резко теряет скорость, обязано своим происхождением внутренним волнам. Они составляют одну из важнейших проблем современной океанологии, поскольку без познания их природы нельзя до конца понять динамику вод Мирового океана и связанные с ней процессы.

А волна, прозванная тягуном, когда вдруг без видимых причин суда у причалов начинают совершать сначала медленные, а потом все более быстрые движения вперед-назад. Период таких колебаний обычно составляет одну-три минуты, амплитуда – пять и более метров. Скрипят кранцы, трещат борта, оглушительно лопаются швартовые тросы. Порой не выдерживает даже корпус, и судно тонет тут же, у причала. А на море может стоять полный штиль. Обычно тягун возникает внезапно и сразу захватывает всю акваторию порта. Особенно он опасен для танкеров: порвись идущие на берег шланги – ив море устремится нефть.

Хотя тягун давно известен морякам, изучать его природу начали только после второй мировой войны. И разобраться в ней до конца пока не смогли. Одной из причин зарождения тягуна считают так называемые длинные волны. Они могут возникнуть далеко в море и иметь небольшую высоту. Но вблизи берега картина меняется. По мере уменьшения глубины растет высота волн. Происходит своего рода отбор волн: некоторые из них подавляются, а другие, наоборот, растут очень быстро.

На подходах к большинству из портов, подверженных тягуну, существуют условия для концентрации волновой энергии. Рельеф дна, мысы нередко играют роль громадных линз, которые концентрируют энергию в пучок и направляют ее в гавань.

В межзвездных далях тоже «гуляют» волны – ударные. Они, хотя подчас и вызывают у людей страх, волнение и удивление, в отличие от землетрясений и цунами не приводят к катастрофическим для Земли последствиям. Жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, если бы создаваемые в результате ядерных реакций ударные волны не поддерживали горение Солнца. До сих пор до конца не понятно влияние ударных волн, порожденных взрывающимися звездами и галактиками, на общую картину мироздания. Каков их вклад в заполнение огромных пространств разреженной плазмой и электромагнитными полями? Возможно, и наша Солнечная система обязана своим существованием космическому взрыву, когда ударная волна разметала повсюду элементы, из которых впоследствии образовались Земля и в конечном счете разнообразные формы жизни, развившиеся на ней. Да и все вещество вокруг нас и в нас самих – словом, всюду в природе – состоит из частичек, у которых есть второе лицо. Они не только материальные частицы, но и волны. Это так называемые «волны материи». Когда в 1923 году французский физик Луи де Бройль заговорил о них, то большинство ученых не поверило. Однако опыты неопровержимо доказали: крошечные кирпичики мироздания – электроны и протоны – не только частицы, но и волны.

Щебетанье птиц и шелест листвы, голоса людей и музыку, стук вагонных колес и рев автомобилей, в общем – все то, что заставляет колебаться воздух, мы слышим благодаря звуковым волнам. Когда через ушную раковину волны попадают в наше ухо, они вызывают колебания тонкой перепонки. Чем выше звук, то есть больше его частота, тем чаще колеблется эта перепонка, чем ниже звук, тем меньше колебаний. Однако наше ухо устроено довольно странно: самый низкий звук, который мы в состоянии услышать, должен иметь по крайней мере 16 колебаний в секунду. Если таких колебаний будет меньше, наша перепонка останется неподвижной, и мы услышим… тишину. Но тишина бывает обманчивой…

В начале тридцатых годов в одном театре ставилась пьеса. Чтобы усилить психологическое воздействие на зрителей в каком-то эпизоде, режиссер обратился за помощью к известному американскому физику Роберту Вуду. Ученый предложил применить обыкновенную органную трубу, но только таких размеров, чтобы излучался неслышимый человеческим ухом инфразвук. Когда заработала труба, зрителей охватила паника, и они бросились вон из театра. Им показалось, что началось землетрясение и потолок вот-вот обвалится. Беспокойство охватило также жителей соседних домов.

Инфразвук возникает и в естественных условиях и действует на людей также трагически. Чаще он проявляет себя в прибрежных районах. Известно, что при зарождении в океане шторма на берегу резко ухудшается состояние больных, возрастает число самоубийств и дорожно-транспортных происшествий. Виновник – порожденный океаном инфразвук.

Загадкой происхождения инфразвука занимался академик М. В. Шулейкин. В 1935 году он выступил в «Докладах АН СССР» с теорией возникновения инфра-звуковых колебаний в океане. При штормах и сильных ветрах над волнистой поверхностью моря рождаются инфразвуковые колебания. При скорости ветра в 20 метров в секунду мощность таинственной неслышимой волны может достигать трех ватт с каждого квадратного метра фронта волны. Сравнительно небольшой шторм становится как бы генератором инфразвука мощностью в десятки киловатт. Основное излучение инфразвука идет приблизительно в диапазоне 6 герц. Опыты показали, что инфразвуковая волна слабо затухает с расстоянием. В принципе он может распространяться без значительного ослабления на сотни и тысячи километров как в воздухе, так и в воде, причем скорость волны в воде в несколько раз превышает скорость волны в воздухе.

Некоторое время назад в печати появились сообщения об опытах профессора Гавро. Он получил новые факты о биологической активности инфразвука. Профессор предположил, что причиной неприятного воздействия на организм человека является совпадение частот инфразвука и альфа-ритма головного мозга. Инфразвуки определенных частот могут вызвать у человека ощущение усталости, тоски, морской болезни, привести к потере зрения и даже к смерти. Ученый пришел к выводу, что инфразвук с частотой 7 герц смертелен для человека и что, подобрав соответствующим образом фазу волны, можно остановить сердце.

«Голосом моря» назвали инфразвук, порождаемый водной стихией. Вполне возможно, что при определенных условиях частота колебаний «голоса моря» увеличивается всего на один герц – на одно колебание в секунду, – и тогда инфразвуковая волна становится смертельной.

Инфразвук вездесущ. Он почти одинаково распространяется в твердой, жидкой и газообразной средах.

Нередки инфразвуковые явления и в городах. Например, в Москве при замерах уровня шумов под автомобильной эстакадой в районе Савеловского вокзала рабочие, проводившие эти работы, жаловались на неприятные ощущения в ночное время, когда интенсивность движения по эстакаде, наоборот, спадала. После исследований, проведенных НИИ строительной физики, оказалось, что ночью в результате движения воздуха под эстакадой происходит усиление инфразвуковых колебаний – отсюда и ухудшение самочувствия. При проектировании современных строительных объектов стараются предусматривать и меры инфразвуковой защиты.

Инфразвуковые эффекты возможны и в космонавтике. При старте на активном участке траектории, когда работают двигатели, и при вхождении возвращающегося на Землю космического корабля в плотные слои атмосферы корабль испытывает низкочастотные вибрации значительной амплитуды. Размеры космических конструкций настоящего и будущего таковы, что в них возможно возникновение резонансных колебаний на биологически опасных частотах.

Хотя мы и не слышим инфразвуки, они, как выяснилось, воспринимаются нашим подсознанием. Летом 1986 года три японские компании выбросили на здешний рынок необычный товар – музыкальные магнитофонные кассеты с наложенным на пленку низкочастотным, неуловимым для слуха текстом. Новинка имела успех. Неслышимый голос убеждает человека бросить курить, соблюдать диету, спокойно спать, преодолевать стрессы и даже пробуждает нежные чувства.

На новый товар сразу обратили внимание менеджеры корпораций и фирм, видя в нем одно из средств повышения производительности труда служащих. Но есть и скептики. «Стоит ли увлекаться экспериментами над собственным подсознанием?» – ставят они вопрос. Ведь такой метод можно обратить и во зло, например для «промывки мозгов».

А если увеличивать частоту колебаний звуковой волны: 16, 100, 1000, 10 000 колебаний в секунду – звук становится все более пискливым… 13 000, 14 000, 15 000– писк становится еще тоньше… 16 000 колебаний в секунду – и вдруг тишина… Наша барабанная перепонка не в состоянии колебаться так быстро. Правда, некоторые люди воспринимают и более высокие колебания, но это исключение.

Интересное совпадение: то же самое число 16 определяет порог и зрительного восприятия. Наш глаз реагирует на раздражение примерно в течение ¹/ ₁₆секунды. Если наблюдаемое нами движение подразделяется на отдельные кадры, промежуток между которыми длится менее ¹/ ₁₆секунды, то мы не в состоянии различить кадры, и движение кажется нам плавным. На этом свойстве глаза основано кино и телевидение. В фильмах немого кино сразу бросаются в глаза угловатые движения людей, их подпрыгивающая походка. Ведь в первых кинокартинах проецировали лишь 16 кадров в секунду. При передаче более 16 кадров в секунду мы не заметим «пульсаций» перемещающихся на экране изображений: движение будет плавным и непрерывным. Поэтому в кино и телевидении частоту кадров приняли с некоторым запасом – 25 герц.

Более 30 лет назад в Америке проводились опыты по воздействию на подсознание зрительных образов. Тогда в прокатные ролики, рассчитанные на 24 кадра в секунду, монтировали кадр, содержащий рекламу кока-колы. Глаз не замечал кадра с бутылкой, по подкорка срабатывала, и потребление напитка выросло на 58 процентов.

Подсознательная зрительная реклама вызвала много протестов и была запрещена как нарушение прав человека. Тогда обратились к звуковому варианту. Задача оказалась довольно сложной. На разработку магнитофонной аналогии ушло много времени. Только лет пять назад в некоторых американских супермаркетах стали прокручивать кассеты с неслышимым призывом – «не воруй». И действительно, число краж сократилось на 40 процентов. Но в США и к звуковому подсознательному внушению относятся с подозрением, а вот в Японии оно пока процветает…

Волновой механизм универсален. Волны огня, температурные и химические волны, волны в потоках транспорта, волны в биологических процессах, в частности в работе сердца и нервной системы, волны в популяциях – сообществах биологических организмов, волны эпидемических катастроф, автоволны… всюду волны!