Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Выбежав из укромного места среди деревьев, Эхо бросилась к Нарциссу, обвив руками его шею. По словам Овидия, ничего хорошего из этого не вышло:

Несчастная Эхо! Такая нелепая ошибка обычно свойственна прыщавым юнцам, впервые попавшим на вечеринку. Нимфа до того страдала, что начала таять на глазах, пока от нее не остался один лишь голос. Могу представить, каково ей было. Вот сейчас пишу, а у самого слезы на глаза наворачиваются.

* * *

Помнится, я обещал разъяснить, почему процесс отражения волн — штука довольно сложная, и что отскакивающий мячик в качестве аналогии не подойдет. А вот почему: отражаясь, волны разделяются, поскольку они представляют собой перемещающуюся энергию, нет ничего удивительного в том, что они расщепляются: часть энергии направляется в одну сторону, часть — в другую. Волны легко разделяются на волны поменьше; это происходит всякий раз, как они отскакивают, ой, простите, отражаются от какой-либо поверхности.

Когда проходящая через одну среду волна достигает ее границы и попадает в среду с существенно иными свойствами, часть ее энергии отражается. Другая часть пересекает границу, то есть продолжает путь в другой среде. Иначе происходит с мячом, который ударяется о штангу. Мяч, конечно же, сообщает часть энергии штанге, отлетая от нее рикошетом, но предположение, что часть мяча при этом отскакивает обратно на поле, а другая продолжает путь через штангу, нелепо. Однако если бы такая ситуация имела смысл, не хотел бы я судить на том матче. Впрочем, процесс частичного отражения-поглощения вы часто видите. Вернее, слышите, поскольку он связан со звуковыми волнами.

Скажем, вы нежитесь в ванне, а ваша благоверная докучает вам подробностями своего рабочего дня. Вы уже устали ее слушать и с радостью ушли бы под воду с головой, хотя бы на несколько секунд. Если вы так и сделаете, заметите: в то время как большая часть ее утомительного пересказа отражается от воды, некоторая часть ваших ушей все же достигает. Пусть неприятные шипящие звуки до вас уже не доходят, вы все равно слышите монотонное бормотание на низкой частоте — оно проникает через воду, давя на ваши барабанные перепонки. Так что и вода не спасает — вы все равно слышите приглушенные жалобы на начальника отдела маркетинга, который всем на нервы действует.

Такому распространенному свойству звуковых волн, как частичное отражение, нашлось важное применение в военном деле. Работающая в активном режиме гидроакустическая система одной подводной лодки, используемая для обнаружения точных координат другой подводной лодки, испускает звуковой импульс и анализирует отражающееся эхо. Направление эха и длительность запаздывания, пока волны идут туда и обратно, указывает на местонахождение вражеской подлодки. Однако трудность в том, что не вся энергия звуковых волн отражается от корпуса неприятеля. Некоторая ее часть, достигая границы между водой и стальным корпусом, проходит дальше — через металл. Неприятель, имея соответствующее оборудование, может звуковой импульс засечь. Вот почему военные подлодки переключают свои гидроакустические системы в режим активной работы лишь при острой надобности.

Но такое явление, как отражение волн, задействуется и в мирных целях. Например, благодаря свойству частичного отражения и передачи волны проникают глубоко в человеческое тело, на чем и основывается процедура ультразвукового обследования.

На самом-то деле микрофоны у них совсем другие

Хотя границы между мягкими тканями человеческого организма не так четко выражены, как границы между костью и мышечной тканью, они, тем не менее, отражают часть ультразвуковых волн, посылаемых аппаратом, — в итоге врач получает ультразвуковую картину определенной области организма. Ультразвуковой сканер, своего рода высокочастотный гидроакустический мини-комплекс, посылает звуковые импульсы, в сотни раз превышающие доступный нашему уху частотный диапазон. Каждой ткани тела свойственна своя плотность, и на границе двух тканей часть волны отражается в виде эха.

Промежуток времени между отражениями эха от одной и другой границы обозначает расстояние до границы, а интенсивность звуковой волны обозначает ее четкость — например, граница это между мышечной тканью и костью или между двумя мягкими тканями. Способность волны проходить через любую преграду позволяет специалисту «проникнуть» глубоко внутрь организма. Отражение от одной границы дает возможность составить представление о состоянии организма на поверхностном уровне, в то время как проходящие дальше волны позволяют судить о процессах на более глубоких уровнях.

Датчик, испускающий звуковой сигнал и воспринимающий эхо, имеет резиновое покрытие, которое по плотности приближается к человеческой коже. Когда предварительно обработанный гелем датчик прикладывают к определенному месту, лишь незначительное количество энергии успевает отразиться до того, как сигнал проникает в тело. Волны идут из датчика через гель и далее под кожу; изменение плотности среды на этом этапе минимально.

Сказав, что «волны при встрече с препятствием отскакивают», вы тем самым дадите понять, что Первый закон волны всех аспектов различия между отражающейся волной и отскакивающим мячом не охватывает. И окажетесь правы. Наблюдатели за волнами сродни мыслителям; размышления о том, каким образом волны «отскакивают», раскрывают перед ними основополагающую истину: волны — это энергия, проходящая через предметы. Отдельно, сами по себе, волны не существуют.

* * *

Рефракция, Второй закон волны, заключается в следующем:

Волны, переходя из одной среды в другую, меняют направление движения.

Знаю-знаю — факт еще более очевидный, чем тот, что волны отскакивают от препятствий.

Тем не менее, это одна из фундаментальных характеристик волн. И вообще, рефракция — фокус, который есть в арсенале у каждой мало-мальски уважающей себя волны.

Чтобы волна изменила направление именно так, а не иначе, необходимы два условия: во-первых, волна должна подойти к границе двух сред не «в лоб», а под определенным углом; во-вторых, скорость распространения волны через одну среду должна отличаться от скорости ее распространения через другую. Если волна входит под непрямым углом в среду, где ее скорость меньше, ее поведение слегка меняется. Если же волна входит в среду, где ее скорость больше, она опять же ведет себя иначе.

Звук изменяет направление движения все время, хотя в общем и целом мы этого не замечаем. Скорость звука довольно сильно зависит от среды распространения. Возможно, вам это покажется удивительным, особенно в свете всеобщих разговоров о «скорости звука», величине как будто постоянной, например, около 1191 км/ч, которую впервые развил в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йигер на самолете Х-1. Однако скорость звука, конечно же, не есть величина постоянная.