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

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:

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.

Например, в воздухе скорость звуковой волны в значительной степени зависит от температуры. При температуре 0° С волна распространяется со скоростью 1 191 км/ч. Однако при комнатной температуре + 23,5° С голос диктора из новостной передачи достигает ваших ушей, распространяясь со скоростью около 1 239 км/ч. Происходит так потому, что независимо от объема воздуха скорость, с которой перепады давления идут из одной области в другую, зависит от скорости движения молекул. А чем выше температура газообразной среды, тем выше скорость движения молекул в ней.

В жидкостях звук перемещается еще быстрее, нежели в газообразных средах. На первый взгляд, такое утверждение противоречит здравому смыслу, ведь вода должна оказывать большее сопротивление, нежели воздух. Однако сопротивление возникает только в том случае, когда через водную среду продвигается отдельный предмет, искажая ее по мере продвижения. В случае же со звуковыми волнами все происходит иначе. Когда звук распространяется через среду, его продвижение обусловлено собственными колебаниями этой самой среды. Одни молекулы сталкиваются с другими, другие — с третьими и так далее. Поскольку плотность расположения молекул в жидкости выше плотности расположения молекул в газе, колебания — а это и есть звуковые волны — перемещаются быстрее в жидкости.

Например, в морской воде с температурой + 25° С звуковые волны перемещаются со скоростью 5 520 км/ч, то есть почти в четыре раза быстрее, чем в воздушной среде. При повышении температуры волны понесутся еще стремительнее. Вот почему периодически проводимые эксперименты с точными замерами времени, за которое звук прошел под водой от источника на одном краю океана до микрофона на другом, позволяют ученым составить представление об изменениях температуры океана из десятилетия в десятилетие. На скорость звука, проходящего через любую жидкую среду, влияет также плотность этой среды и сила ее сопротивления сжатию.

Большинство твердых тел, у которых связи между молекулами довольно прочные, подвержены сжатию еще меньше, чем жидкости. Благодаря этим прочным связям разница в давлении передается из одной части твердого тела в другую еще быстрее, чем в жидкости. Чем прочнее структура вещества, тем звуковые волны распространяются быстрее: до 11 667 км/ч в золоте и до немыслимых 43 199 км/ч в алмазе.

Но какое отношение все эти запредельные скорости имеют к тому, каким образом звуковые волны «меняют направление движения, переходя из одной среды в другую»? А такое — волны меняют направление при смене скорости. Если волна достигает границы разных сред под непрямым углом, конец звукового луча, достигающий границы первым, меняет скорость на входе в новую среду раньше остальной части луча. В новой среде он либо ускоряется, либо замедляется, но в любом случае направление распространения волны становится другим.

Чтобы убедиться в этом на наглядном примере, вообразим ситуацию: посреди пустыни терпит крушение космический корабль. Из корабля выбирается группа пришельцев и отправляется на поиски ближайшего «Макдоналдса». После удара корабля о землю пришельцы, ясное дело, немного не в себе, более того — они плохо видят, потому что привыкли у себя на родной планете к другой длине световой волны. И вот пришельцы берутся за руки, вернее, присоски (или что там у них вместо рук), и, растянувшись цепочкой, ковыляют по прямой, стараясь не слишком привлекать внимание.

Увязающим в песке пришельцам идти по твердой поверхности гораздо сподручнее, и когда они, наконец, выбираются к дороге, первый же ступающий на нее зеленый человечек с непривычки чуть ускоряется. Поскольку они подходят к асфальту под непрямым углом, то оказываются на нем кто раньше, кто позже. Те человечки, которые оказываются на асфальте первыми, начинают идти быстрее, в то время как остальные все еще еле переставляют ноги-присоски, увязая в песке. Так как группа держится друг за друга руками-присосками, вся их цепь слегка скругляется — выходя на асфальт в полном составе, они передвигаются уже в несколько ином направлении. Конечно, сами пришельцы этого не замечают — они в это время с жаром спорят, выясняя, кто же не нажал вовремя на тормоз. Когда они сходят с асфальта снова на песок, происходит обратное — тот, кто оказывается на песке первым, замедляет шаг, утягивая своих товарищей уже в обратную сторону. Как только все пришельцы оказываются на песке, они продолжают двигаться в изначальном, рассчитанном по компасу направлении.

Таков принцип рефракции. В случае со звуковыми волнами приближающаяся область более высокого давления, или фронт волны, ведет себя на манер пререкающихся зеленых человечков. Достигая границы со средой, при прохождении через которую ее скорость замедляется, она меняет направление — совсем как те пришельцы. При условии приближения волны к границе под непрямым углом, а не «в лоб», один ее конец замедляется раньше, чем остальная часть волны пересечет границу, и начинает скруглять фронт волны до определенной точки в противоположном направлении. Как только гребень границу пересекает, волна начинает двигаться в несколько ином направлении. Направление движения вновь меняется — в обратную сторону, — когда звуковая волна входит в среду, где ее движение ускоряется. Само собой, звуковые волны не являются предметами, которые перемещаются в воздухе или по земле вроде тех ковыляющих инопланетян, — они представляют собой последовательности из сжатий и разрежений, вызванных колебаниями среды. Ну и серебристых скафандров на них, понятное дело, тоже нет.

Вы заметили, что в тумане звук распространяется дальше? К примеру, вы отчетливо слышите отдаленный смех. Или колокольный звон, который обычно до вас не доносится. Мне всегда нравилось прогуливаться в тумане — когда при этом слышишь звуки, кажется, что они долетают из потустороннего мира. На самом деле причина не в самом тумане — висящие в воздухе крошечные капельки воды слишком малы, чтобы влиять на звук. Влияет на него температура воздуха возле поверхности земли, которая и приводит к образованию тумана; именно благодаря ей перезвон церковных колоколов разносится далеко по округе.