Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Пока сова, прислушиваясь к звуку, держит голову в горизонтальной плоскости, расстояние от мыши до каждого уха неодинаково. Однако птица может вертеть головой и вверх-вниз, добиваясь совпадения времени, за которое звуковые волны достигают ушей, и таким образом определяя точное местонахождение добычи. Умение совы определять источник звука в вертикальной плоскости феноменально. После определенной тренировки она могла бы бить по «звуковым мишеням» в полной темноте. И погрешность при этом составила бы менее одного градуса и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях. {48} 48 Payne, Roger S., “Acoustic location of prey by barn owls (Tyto Alba)“, Journal of Experimental Biology 54: 535-73 (1971).

Дифракция свойственна не только звуковым волнам. Как один из законов волны, это явление характерно для любых волн.

Преградив идущие из окна солнечные лучи сложенными определенным образом руками, вы будете наблюдать дифракцию света — на стене отразится тень зайца. Все мы знаем, что чем ближе поднести руки к стене, тем контуры будут четче.

А вот если встать рядом с самим окном, на расстоянии метра или двух, получится размытое пятно, лишь отдаленно напоминающее зайчика. Или сову? Или… муху Ormia?

Впрочем, теперь это всего-навсего расплывчатое пятно, ничем не примечательное, едва ли способное пробудить любопытство. Однако оно — видимый пример дифракции. Ваши руки играют роль препятствия, огромного по сравнению с длиной волн видимого света, составляющей что-то вроде 0,0005 миллиметра. Вот почему руки отбрасывают тень: световые волны просто не в состоянии их обогнуть. Впрочем, огибают, но лишь незначительно — в той или иной степени дифракция волнам всегда свойственна. Чем дальше вы отодвигаете руки от окна, тем очевиднее становится тот факт, что световые волны препятствие все же огибают. [21] Cumulus humilis (лат.) — кучевые плоские (прим. перев.).

Явление дифракции присуще и радиоволнам. Именно поэтому радиостанциям с частотной модуляцией, которые вещают в диапазоне коротких (длиной около 60 см) волн (FM радиостанции) приходится использовать сеть промежуточных станций с передатчиками, разбросанных по всей стране. Долины не всегда находятся в зоне прямой видимости, поскольку холмы и горы отбрасывают «тени» неуверенного приема — размеры этих природных образований намного превышают длину радиоволн. Но подобные препятствия не являются помехой для радиостанций с амплитудной модуляцией, которые вещают в диапазоне длинных (около 2 км) волн (AM радиостанции). Такие радиостанции обходятся всего одной промежуточной станцией с передатчиком, поскольку длинные волны легко огибают холмы и распространяются дальше, по долинам.

Можно наблюдать явление дифракции волн даже на водной поверхности. Позади острова, сильно превосходящего размерами длину волн, возникает «тень» более спокойной воды.

С другой стороны, одна из опор пирса, будучи гораздо меньше длины волн, не оставляет позади себя никакой «тени» — волны огибают опору так, будто ее и вовсе не существует.

Знание того, каким образом все три закона волны соотносятся с океаническими волнами, имело огромное значение для мореплавателей с Микронезийских островов в Тихом океане. Эти опытные мореходы, переправляясь на своих каноэ с одного острова на другой, сверяли направление движения по зыбям. Они, бесспорно, самые первые в ряду наблюдателей за волнами, особенно те из них, кто родом с Маршаллов — островов на полпути между Гавайями и Новой Гвинеей. Эти далекие острова и атоллы возвышаются над уровнем моря всего на метр — с большого расстояния их почти не разглядеть. В ночную пору местному населению приходится ориентироваться по звездам; днем на смену звездам приходят волны.

Уникальному способу навигации, теперь по большей части утерянному, обучались из поколения в поколение с помощью особых карт — маттанг. Карты делались из переплетенных жилок листа кокосовой пальмы; на картах указывалось, каким образом зыби отражаются от островов и как меняют направление движения, преломляясь и огибая их. Небольшие ракушки на карте символизировали острова. Поскольку зыби обычно приходят с одной и той же стороны, островитяне научились определять местоположение острова на расстоянии более 60 км от него — по тому, как волны под влиянием этого острова меняли свой ход. {49} 49 Подробный рассказ о способности мореплавателей Океании ориентироваться на море по волнам зыби можно найти в следующей публикации: Lewis, D., We the Navigators: The Ancient Art ofLandfind-ing in the Pacific (Honolulu: university of Hawaii Press, 1994).

Вообще-то, было бы некоторым заблуждением называть этих невероятно искусных мореплавателей наблюдателями за волнами, потому как на деле они не наблюдают волны — они их чувствуют. «Штурман ложится на дно каноэ, — описывал в 1862 году миссионер, — прикладывая правое ухо ко дну на несколько минут, и затем говорит остальным: «Земля — за нами, на одной с нами линии или впереди», — итак далее». {50} 50 Аеа, Н., The History of Ebon (1862). The Hawaiian Historical Society 56 th Annual Report, 1947.

Возможно, миссионер читал карту шиворот-навыворот, вот и выдумал ухо, приложенное ко дну каноэ. В наши дни ученые выяснили, что штурман обращал внимание на то, как каноэ раскачивается, а не на звуки: если корма поднималась раньше носа, зыбь накатывала сзади; если левый борт поднимался раньше правого борта, зыбь накатывала слева, и так далее. В действительности, при обучении будущие штурманы должны были плавать в море на спине — таким образом они учились чувствовать колебания волн. {51} 51 De Brum, K, “MarshalleseNavigation ” Micronesian Reporter 10: 1-10(1962).

Но как бы наглядно звуковые волны ни демонстрировали три закона волны, сами они в качестве объектов для наблюдения малоинтересны — в конце концов, мы их попросту не видим.