Так что же такое стоячая волна?
Это волна, которая не перемещается из одной точки в другую. Нормальные, движущиеся волны берут начало из какого-либо источника и распространяются в виде колебаний через среду, которая сама целиком не перемещается. А вот гребни и подошвы стоячей волны, в отличие от волны обычной, никуда не перемещаются — надо сказать, такое поведение волне не свойственно. Почему же стоячие волны остаются «на приколе»? Тому может быть две разных причины, в зависимости от того, перемещается или нет сама среда, в которой они образуются, как, например, мюнхенский водоток.
Не зависящую от потока стоячую волну вы найдете и среди музыкальных инструментов. Именно благодаря ей звучит чистая нота. Дуньте в мундштук флейты — нормальные, свободно распространяющиеся звуковые волны пройдут вверх-вниз по столбу воздуха в инструменте.[32] Звуковые волны достигают обоих концов флейты и отражаются, возвращаясь обратно. Получается, что одни и те же волны распространяются назад и вперед по одному и тому же столбу воздуха — те, что отражаются от дальнего конца, проходят через те, которые идут со стороны мундштука. Сжатие (повышенное давление) и разрежение (пониженное давление) воздуха в любой точке по всей длине инструмента — результат наложения, или интерференции, распространяющихся вдоль флейты в обе стороны звуковых волн. Там, где две области максимального сжатия, пики волн, накладываются, воздух сжимается вдвойне. Там, где сжатие одной волны накладывается на разрежение другой — пик встречается с подошвой, — волны взаимно уничтожаются — образуется нормальное давление воздуха. Что же получается в результате интерференции одинаковых звуковых волн, распространяющихся туда и обратно по одному и тому же столбу воздуха? А вот что: там, где две волны всегда взаимно уничтожаются, порождая минимальные колебания атмосферного давления, образуются неподвижные узлы; там, где сжатия и разрежения накладываются, порождая максимальные колебания атмосферного давления, образуются пучности.
Комбинация одних и тех же движущихся в противоположных направлениях волн порождает форму колебаний стоячей волны, определяемую длиной столба воздуха. Эта форма не распространяется вдоль всей флейты, она остается на месте. Благодаря ей инструмент резонирует на гармонической частоте, флейта держит устойчивую ноту, в то время как нормальные, движущиеся звуковые волны распространяются в результате изменения давления у отверстий. Когда во время игры музыкант меняет положение пальцев, зажимающих отверстия, пучности (максимальные изменения давления) формируются в других точках вдоль флейты — тональность звучания инструмента при этом меняется.
Не правда ли, убийственно сухое описание удивительно теплого, звонкого звучания флейты в руках настоящего виртуоза? Сможете ли вы теперь наслаждаться началом третьего акта оперы «Кармен» — вне всяких сомнений, прекраснейшего оперного соло на флейте, — не отвлекаясь на всякие там узлы и пучности? Или я все безнадежно испортил? Я могу еще объяснить вам образование стоячих волн на примере струнных инструментов, когда поперечные волны распространяются вверх-вниз по всей длине струн, отражаясь от закрепленных концов и накладываясь друг на друга. Впрочем, не стоит портить вам впечатление от прослушивания еще и сюиты Баха для виолончели. Данный вид стоячей волны не имеет собственного названия, но, думаю, ей подошло бы название интерферирующей стоячей волны.
Наблюдать стоячую волну воочию можно в заливах, бухтах, дельтах рек. Идущие с моря волны отражаются от прибрежной полосы, идут обратно в противоположном направлении и в результате интерферируют с новыми, идущими с моря волнами. В итоге чаще всего гребни и подошвы волн беспорядочно перемешиваются, но иногда, при определенных периодах движения волн (а значит, их скоростях), отраженные гребни и подошвы встречаются с прибывающими гребнями и подошвами в одних и тех же точках бухты — образуется стоячая волна фиксированной формы колебаний. Эти неподвижные последовательности вздымающейся и опадающей воды, известные как сейши, состоят из узлов, в которых прибывающая и отраженная волны друг друга взаимно уничтожают, образуя более-менее гладкую поверхность воды, а также пучностей, в которых прибывающая и отраженная волны накладываются, вынуждая поверхность воды в значительной степени подниматься и опускаться.
В зависимости от размеров акватории бухты и периодов волн, сейши вырастают до гигантских размеров — вздымающиеся и опадающие волны треплют пришвартованные суда, порой выбрасывая их на берег. Яростные сейши появляются и тогда, когда поблизости от водных объектов, например озер, случаются землетрясения. Вода устремляется вверх и низвергается вниз — волны, ударяясь о берег, поворачивают вспять, накладываясь на идущие следом. (То же самое явление можно наблюдать в тарелке с супом: когда вы несете тарелку к столу и вдруг спотыкаетесь, суп в тарелке начинает плескаться, ударяясь о ее стенки, — поднимающиеся и опускающиеся пучности формируются у стенок, а узел неподвижной суповой жидкости образуется в центре.)
Но серфингисты в Мюнхене катаются не на интерферирующей стоячей волне. Их волна относится ко второму типу стоячей волны — тому, что формируется внутри потока. Как и первый тип, в науке она все еще остается безымянной; я называю ее струйной стоячей волной. Миниатюрную копию волны этого типа можно увидеть в ручье, струящемся поверх чуть выступающего из воды камня.
Со стороны, защищенной препятствием (чуть ниже по течению) образуется либо резкий (по сравнению с уровнем воды) подъем вверх, либо (когда течение не такое быстрое) никуда не распространяющаяся легкая волнистость. Препятствие, в частности камень, направляет поток вверх. Оказываясь над уровнем равновесия, гребень под воздействием силы тяжести устремляется вниз, ныряя ниже уровня равновесия и образуя подошву. Через некоторое время, дальше по течению, поток возвращается к равновесному состоянию.
Наверняка под покровом сумерек дядюшка Рэт и мистер Крот, персонажи из «Ветра в ивах», бросают полоски коры в реку и гребут к струйной стоячей волне, чтобы прокатиться на ней.
* * *
Струйные стоячие волны формируются также и в атмосферных потоках — там их иногда можно увидеть как облака lenticularis[33]. Эти облака появляются в том случае, когда потоки ветра натыкаются на довольно крупное препятствие — холм или гору — и взмывают вверх. А свое название облака получили от латинского слова lentil, что значит «чечевица».
Ничего смешного в таком названии нет — облака и впрямь напоминают чечевичные зерна, пусть даже зерна эти белые и плывут по небу несколько километров.
Подбрасывающее воздушный поток вверх препятствие геологического происхождения действует точно так же, как и камень в ручье, или водораздел в Айсбахе. Когда атмосфера, как выражаются метеорологи, стабильна, воздушный поток поднимается и ныряет вниз со стороны, защищенной горой — совсем как водный поток. До тех пор пока ветер дует с постоянной скоростью, невидимая стоячая волна воздуха остается на месте с подветренной стороны горного пика. При определенной температуре и влажности атмосферы возле одного или нескольких гребней волны образуются облака в форме чечевичных зерен.
Крошечные капли формируются, когда воздух, поднимаясь с переднего края волны, расширяется и охлаждается до температуры конденсации. Тогда-то мы и наблюдаем облака, парящие там, где им положено парить, — внутри потока крепкого ветра. То есть воочию наблюдаем стоячую волну ветра. Крошечные капельки, формируясь у переднего края волны, подхватываются ветром. Позади волны, там, где воздушный поток ныряет и вновь нагревается, они испаряются. Со стороны облако кажется застывшим, хотя на самом деле внутри него капельки носятся, подхватываемые взмывающим и низвергающимся воздушным потоком.
Чечевицеобразные облака — отличительный признак местности, годной для занятий планеризмом. Пилоты катаются на стоячей волне с подветренной стороны горной вершины совсем как мюнхенские серфингисты в водном потоке — маневрируют планерами из стороны в сторону, не покидая восходящую часть воздушного потока. Чечевицеобразные облака служат планеристам чем-то вроде маяков, указывающих на те места, где невидимая воздушная река взмывает — там можно подняться на планере, и устремляется вниз — такой нисходящий поток грозит разбить планер о землю.
Саму воздушную реку, которая образует струйную стоячую волну с подветренной стороны горной вершины, вы не видите, зато видите чечевицеобразное облако у гребня волны * * *
Может показаться, что образование струйных стоячих волн зависит от потока, в то время как обычные движущиеся волны легко распространяются через неподвижную среду. Увы, все не так просто. Подобное утверждение справедливо далеко не для всех волн. Взять, к примеру, волны океанические. Течения возникают в океанах по всему миру; какой же эффект они оказывают на обычные движущиеся океанические волны? Иногда под влиянием течения волны превращаются в сущие чудовища.
