Одд Нильсен - Свет и время. Размышления на границе естествознания и Богопознания

Свойства, описанные на примере водяных волн, присущи волнам любой природы, включая звуковые и световые. В общем виде, если длина волн мала сравнительно с предметом, который они встречают или обходят (таковы, например, световые волны), то волны продолжают распространяться по прямой. Это свойство света позволяет отчетливо видеть детали и обводы предметов. Им же объясняется резкая очерченность теней при солнечном свете. Длина световых волн равна лишь нескольким десятитысячным миллиметра. Это позволяет нам с помощью законов геометрической оптики выразить особенности распространения лучей света, например, их отражение и преломление.

Мы также знаем, что есть особые обстоятельства, когда луч света искажается, огибая острый край предмета или проходя сквозь узкое отверстие. Если посмотреть на уличный фонарь через плотную ткань, то видимый световой узор, похожий на звезду, объясняется именно этим явлением.

Иначе дело обстоит со звуковыми волнами. Длина их достигает нескольких метров. Поэтому, если между нами и уличным оркестром окажется дом, то звуки музыки не вполне отразятся от него, но частично обойдут дом, прежде всего низкие, длинноволновые удары большого барабана. А вот высокие дискантовые тона дойдут до нас хуже, потому что они состоят из сравнительно коротких волн.

В главе «Наши чувства и внешний мир» мы рассмотрим, как подобные факты существенно влияют на наши органы чувств, создающие картину внешнего мира.

Рис. 3. Короткие волны могут заданным образом отражаться от плоской поверхности. Отраженные волны распространяются прямолинейно.

Рис. 4. Если длина водяных волн больше размера преграды или равна ей, то преграда огибается волнами. Волновая тень не возникает, а направление движения искривляется.

Кратко опишем еще одно явление, присущее волновым колебаниям. Для этого удобнее всего взять звуковые волны.

Камертон можно заставить колебаться. То же самое возможно и с диском, со струной, с воздушным столбом или с поверхностью стола. Если позволить любому из них колебаться свободно, то всякий станет колебаться на свой лад, в зависимости от своего размера и материала. Следовательно, для всякой вещи характерен определенный род колебаний. Числовой показатель периода таких колебаний или их частота называется частотой собственных колебаний. Ее обычно указывают на камертоне. Испытав удар, камертон должен звучать на одной отчетливой ноте, заданной периодом его собственных колебаний.

Если поднести камертон к уху, то звук будет довольно слабым; но если поместить камертон на столе или напротив окна, то звук значительно усилится.

Рис. 5. Камертон помещен на резонатор, который стоит на войлочных прокладках. Рядом молоток с резиновой головкой для удара по камертону.Рис. 6, 7. Здесь представлены два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе. Расходящиеся круги изображают звуковые волны. Рис. 6 показывает, как вызванные ударом по камертону А звуковые волны приводят в движение камертон В. Из рис. 7 видно, что прикосновением резиновой головки можно остановить колебания камертона А и тем убедиться, что прежняя нота продолжает звучать, благодаря вибрации камертона В. Необходимая энергия усвоена камертоном В из звуков волн камертона А.

Камертон передает свою вибрацию соседнему предмету, который начинает колебаться похожим образом. Эти наведенные колебания порождают звук того же тона, и общая сила звука увеличивается. Длительность его, однако, сокращается, поскольку общее количество энергии осталось тем же самым. При этом подразумевается, что мы в обоих случаях ударили по камертону с равной силой.

Такой наведенный отзвук будет сильнее всего, если у отзывающегося предмета та же частота собственных колебаний, что и у камертона. Если поставить камертон на небольшой деревянный ящик, открытый с одной стороны и устроенный так, чтобы заключенный в нем воздушный столб имел ту же частоту собственных колебаний, что и камертон, то, ударив по камертону, мы получим значительное усиление звука. Это явление называется резонансом, а ящик — резонатором.

Итак, резонанс возникает, когда есть два предмета, способные колебаться в унисон. Для возникновения резонанса необязательно соприкосновение обоих вибрирующих предметов. Колебания могут передаваться в виде воздушных волн. Это подтверждается следующим опытом. Два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе, расположены на некотором расстоянии друг от друга. Достаточно ударить по А, чтобы В немедленно отозвался на той же ноте (рис. 6). Можно показать, что, остановив или даже убрав А (рис. 7), мы не прекратим звучания В. Продолжая опыт, мы можем начинать то с В, то с А, пока не убедимся, что звук способен передаваться в обоих направлениях между А и В.

Рис. 8, 9. На рис. 8 представлены два разных камертона, А и С. Частота колебаний второго ниже, чем первого. Рис. 9 показывает, что С не отзывается на колебания А и что после остановки колебаний А наступает тишина. (Ради большей наглядности звуковые волны показаны более короткими, чем в действительности.)

Теперь, если вместо В мы возьмем камертон С, с периодом собственных колебаний, отличным от А, то результат опыта будет иным. От удара зазвучит только камертон А, после его остановки наступит тишина. Всякое звучание прекращается, потому что С не отзывается на колебания А. Следовательно, резонанс зависит от равенства периода собственных колебаний обоих камертонов. Только при этом условии один из них отзовется на колебания другого. Резонанс всегда сопровождается сильным поглощением энергии.

Явление резонанса известно во всех областях, связанных с колебаниями и волнами. Порой с резонансом нужно считаться всерьез. Например, иногда он бывает причиной аварий. Всякую лодку особенно сильно качает, если длина волн соотносится с ее размерами (длиной или шириной). Мост может рухнуть, если по нему в ногу зашагают солдаты, и частота их шага будет близкой к частоте его собственных колебаний. Если частота собственных колебаний каких-нибудь деталей машины соотносится с числом оборотов ротора, то эти детали могут сломаться или разболтаться. Порой, когда резонансные колебания очень сильны, резонирующий материал не выдерживает. Рассказывают, что Карузо, забавляя своих гостей, брал со стола бокал и пел в него. Бокал разлетался вдребезги.