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

Любой ныряющий со снаряжением дайвер подтвердит — наши способности определять направление звуков под водой весьма посредственны. В воде звук распространяется раза в четыре быстрее, чем в воздухе, и разница во времени достижения звуком каждого уха гораздо менее различима. только рад. Но насладиться свободой он не успевает — тут же разваливается на части, погибая.

Впрочем, хотя муха Ormia и распознает источник звука с большой точностью, переплюнуть в этом деле нас, людей, ей не под силу. Или все же под силу? Расстояние между нашими ушами — около 15 см, в то время как у мухи — всего 0,5 мм. Способность самки мухи Ormia находить сверчка по звуку поражает гораздо больше, чем острота нашего слуха, ведь муха такая маленькая! Расстояние между ее барабанными перепонками ничтожно мало, и разница во времени достижения волнами одного и другого уха — порядка 0,00000005 секунды; на этом фоне наши 0,0006 выглядят бледновато. До чего же чуткая мушка!

* * *

Мы отлично определяем направление звуков в горизонтальной плоскости, а вот когда источник находится выше или ниже, все уже не так хорошо. Поскольку уши у нас на голове расположены симметрично, по обе стороны, при повороте головы в горизонтальной плоскости расстояние от источника звука до каждого нашего уха окажется одинаковым — неважно, ниже источник или выше. То есть звуковые волны будут достигать обоих ушей за одно то же время. Впрочем, это и не страшно, потому как чаще всего мы имеем дело с двумя пространственными измерениями.

Иное дело — совы-сипухи. Для них умение определить направление источника звука, распространяющегося в вертикальной плоскости, жизненно важно. И хотя совиное зрение в два раза чувствительнее к свету, чем у человека, оно не особенно-то помогает птицам, когда те ищут в темноте маленького грызуна, пробегающего среди травы и листьев, а то и под снегом. Поэтому вместо того, чтобы приглядываться, сова прислушивается. Чтобы ей, сидящей на ветке, понять, откуда именно доносится шорох лапок этой самой мышки, она должна с легкостью распознавать направление звука, идущего и в вертикальной, и в горизонтальной плоскостях. Вот почему, как вы, может быть, замечали, уши у сипух расположены на голове асимметрично: слуховое отверстие левого уха примерно на сантиметр выше слухового отверстия правого.

Сипухам, как и многим другим совам с такой же анатомической особенностью, повезло — их прикрытые перьями асимметричные уши практически невидимы. А вот кому не повезло, так это крысам, мышам и землеройкам — они становятся легкой добычей пернатых хищников, точно определяющих источник шорохов благодаря расположению ушей на разных уровнях. Даже если чуткая сова крутит головой в горизонтальной плоскости, стремясь выровнять интенсивность достигающих обоих ушей звуковых волн, волны все равно приходят к каждому уху за разное время, пусть эта разница и ничтожна.

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.

* * *

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]

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.

Остров Пьяносо в Тирренском море неподалеку от побережья Италии, будучи по размерам гораздо больше океанических волн, отбрасывает четко различимую «тень»