Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Например, в пределах твердого тела удар может заставить одну часть материи тела сдвигаться вбок относительно соседней части. Однако сильные силы сцепления между молекулами твердого тела, которые имеют тенденцию удерживать каждую молекулу на одном месте, будут возвращать сдвинутую часть. Она отскакивает назад, проходит свое «нулевое» положение, отскакивает назад снова, проходит мимо «нулевого» положения и так далее. Явившаяся результатом этого вибрация распространяется таким же образом, каким волны распространяются по поверхности жидкости; результатом является возможность передать поперечные волны через материю твердого тела.

Однако в жидкостях и газах силы сцепления гораздо более слабые, чем в твердых телах, и не способны восстановить сдвиг. Если мы переместим часть воды или воздуха вбок относительно соседней части, то некоторое дополнительное количество воды или воздуха просто натечет в область, которую перемещающаяся часть оставила «пустой», а новое взаимное расположение частей останется. Поэтому в телах жидкостей не существует никаких поперечных волн.

Точнее говоря, поперечные волны будут перемещаться по горизонтальной верхней поверхности жидкостей, поскольку там мы имеем особый случай — существование внешней силы — силы тяжести, которая сопротивляется сдвигу «вверх и вниз». Однако в пределах тела жидкости сила тяжести не может выполнять эту работу, поскольку каждый из фрагментов воды поддерживается на поверхности окружающей его водой. Так как плотность каждой частицы воды равна плотности окружающей ее воды, то вес каждой частицы воды равен нулю, и она не отвечает на воздействие силы тяжести. Если часть воды в пределах тела жидкости поднята на сдвиг, она остается в новом положении, несмотря на силу тяжести. Таким образом, распространение поперечных волн ограничено поверхностью жидкости, а так как газы не имеют никакого определенного объема и поэтому никакой определенной поверхности, то из этого следует, что поперечные волны не передаются газами ни при каких условиях.

Следовательно, если звук передается сквозь воздух в форме волны (а все свидетельствует, что так оно и есть), то форма этой волны не может быть поперечной. Логично было бы предположить существование альтернативной формы волны, такой, чтобы она состояла из периодических сжатий и разрежений.

Рассмотрим, например, колебания камертона. Ножка камертона создает быстрые периодические колебания, перемещаясь влево-вправо, влево-вправо и так далее. По мере того как она перемещается вправо, молекулы воздуха, находящиеся непосредственно справа от нее, смещаются, сдвигаясь вместе и формируя маленький объем сжатия. Давление в пределах этого сжатого объема больше, чем в соседнем объеме нормального воздуха. Молекулы в сжатом объеме «разворачиваются» и «толкают» молекулы примыкающего к ним объема, сжимая его. Соседний объем, по мере того как «разворачивается», сжимает следующего за ним соседа и так далее. Таким образом, данный объем сжатия распространяется наружу но всех направлениях, формируя вокруг источника возмущения расширяющуюся сферу так же, как в жидкости вокруг источника возмущения формируется расширяющийся круг, состоящий из гребней воды. (Атмосфера является трехмерной средой, а поверхность воды — двумерной, вот почему мы в одном случае имеем расширяющуюся сферу, а в другом случае — расширяющийся круг.)

Тем временем ножка камертона, которая переместилась вправо и создала расширяющийся объем сжатия, перемещается влево. Направо от ножки образуется большее количество места, а находящийся там объем воздуха расширяется и становится более разреженным. Давление, которое в соседнем, неразреженном, объеме выше, толкает воздух в разреженное место и разрежается в процессе этого само. Таким образом, объем разрежения расширяется по направлению наружу, вслед за объемом сжатия.

И снова ножка камертона перемещается вправо, затем — опять влево, снова — вправо, то есть таким образом, что объемы сжатия и разрежения в быстром чередовании следуют друг за другом по направлению наружу все то время, пока ножка камертона продолжает вибрировать. Каждый период движения ножки (одно движение назад и одно вперед) вызывает образование одной комбинации «сжатие — разрежение».

В этих волнах, основанных на принципе «дополнительного сжатия и разрежения», индивидуальные молекулы воздуха двигаются в одном направлении по мере сжатия, а затем в обратном направлении по мере разрежения; объемы сжатия и разрежения двигаются по направлению наружу и распространяются в направлении, параллельном возвратно-поступательному движению молекул. Такие волны, в которых частицы двигаются параллельно распространению волны в большей степени, чем перпендикулярно в направлении к нему, называются «продольными», или «компрессионными», волнами.

Продольные волны гораздо труднее проиллюстрировать и труднее воспринять, чем поперечные волны, поскольку в обычной жизни мы не сталкиваемся ни с какими внешними проявлениями их существования, как это было, например, с жидкостными волнами. Однако, поняв детально принцип распространения поперечных волн, мы можем по аналогии перенести этот принцип и на продольные волны.

Точки максимального сжатия аналогичны гребням поперечных волн, а точки максимального разрежения — впадинам. Между ними имеются области, где давление на мгновение становится нормальным, и мы можем их сопоставить.

Звуковые волны

Расстояние между точками максимального сжатия (или между точками максимального разрежения) называется длиной продольной волны. Количество точек максимального сжатия (или максимального разрежения), проходящих через данное положение за одну секунду, называется частотой продольной волны.

Так как молекулы жидкостей и твердых тел, как и молекулы газов, при сжатии формируют противосилу, старающуюся восстановить их форму, продольные волны могут передаваться и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах. Звуковые волны особенно хорошо распространяются в воде и металле, равно как и воздушным путем. (Волны, произведенные в теле Земли колебаниями, вызванными землетрясениями, состоят из обоих типов волн — и поперечных и продольных. Они передаются твердой материей Земли, но было выяснено, что, когда волны проникают на некоторую глубину ниже поверхности земли, только продольные продолжают распространяться на дальние расстояния, в то время как поперечные волны внезапно и полностью останавливаются. Именно благодаря этому геологи пришли к выводу, что Земля содержит жидкое ядро, и оказались способными измерить его диаметр со значительной точностью.)

Однако звуковые волны не могут переноситься при полном отсутствии молекул. Если мы поместим электрический звонок под колокол воздушного насоса, то сначала мы будем слышать его звон через стекло, но затем, по мере того как воздух будет откачиваться, звучание звонка будет становиться все более и более тихим. Язычок может продолжать неистово ударять по звонку, и сам звонок может даже начать вибрировать, но из-за отсутствия воздуха образование продольных волн невозможно. В результате никакого звука не будет слышно.