Чтение онлайн

Медленно гуляющий человек совершает, скажем, один цикл (два шага) в секунду. Такую частоту приняли за единицу и назвали герцем. Ноги спринтера колеблются значительно быстрее, и их частота достигает 15–20 герц.

Часто важно знать время, за которое совершается один цикл колебаний. Разделив одну секунду на частоту колебаний, мы получим эту величину: ее называют периодом колебаний.

Как-то я пытался выяснить у студента, куда движутся электроны в батарейке карманного фонаря: от плюса к минусу или наоборот. За 40 секунд нашего спора он ухитрился изменить свое мнение на обратное четыре раза. Средний период его колебаний «не так уж велик»:

Отсюда их частота F = 0,1 герца.

Всякое движение, в том числе и колебательное, происходит во времени. Наблюдая положение или состояние колеблющегося тела в разные моменты времени, можно легко выявить периодичность и форму колебаний. Особенно наглядна их графическая запись. Проходя как-то мимо стройки, я увидел, что на ленте транспортера происходит запись некоего колебания. Вопли сверху открыли секрет. Ситуацию можно было назвать: «НОТ в действии». Маляр, развлекая свою очаровательную помощницу, раскачивал ее в люльке, как на качелях. С забытой кисти стекала краска. Она-то и отмечала положение качелей в разные моменты времени. На ленте мы видим волнообразную кривую, имеющую красивое, звучное имя — синусоида (вполне подходящее имя для гибкой, стройной девушки, не так ли?).

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.