Страница 5 из 74
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.