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

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Может, все дело в том, что я редко куда выбираюсь. Однако, думаю, играли музыканты действительно хорошо — внутри у меня все будто вибрировало в унисон, душа пела. Интересно, что при этом испытали остальные слушатели? Группу тепло приветствовали, но я уверен: музыка вызвала у публики самые разные чувства — у каждого свои. Что вполне в духе метафорического смысла резонанса. А ведь и правда, это как со струнами, настроенными вразнобой: то, что цепляет меня, совсем не обязательно созвучно вашему настроению. И все же, почему музыка оказывает на нас такое сильное влияние? Загадка да и только.

Древних греков поражала волшебная сила музыки, ее способность успокаивать или будоражить человеческую душу. Изучая математику и музыку, Пифагор совершил открытие — у музыкальной гармонии математическая основа. Он обнаружил, что наиболее гармоничные музыкальные интервалы — октава, кварта, квинта — находятся между нотами, чье расположение объясняется простой арифметикой. Например, у струнных инструментов две струны одинакового веса и силы натяжения созвучны в том случае, если их длины будут соответствовать простым пропорциям. Струны, разделенные октавой (то есть двенадцатью полутонами) будут укладываться в пропорцию 1:2 — одна струна в два раза длиннее другой. В случае же с квинтой (семь полутонов вверх) длины будут укладываться в пропорцию 2: 3. Ну а кварта (пять полутонов) подчиняется пропорции 3: 4. Получается, красота звуков имеет под собой строгое научное обоснование. Это открытие вдохновило Пифагора и его последователей на дальнейшие изыскания — они предположили, что математические выкладки, лежащие в основе музыкальной гармонии, могут объяснить устройство жизни, Вселенной… всего. Пифагор уверовал в математическое обоснование музыкальной гармонии и довольно долго придерживался этой идеи. Пифагорейцы утверждали: математические формулы, объясняющие ход Луны, планет и звезд по ночному небу, подчиняются музыкальной гармонии, порождают музыку сфер — вибрации или ноты, которые мы не слышим, но которые превосходно гармонируют друг с другом.{59} Более того, мы, люди, также порождаем неслышимую ухом музыку, являемся инструментами, способными издавать ответные вибрации. В этом, согласно теории Пифагора, и кроется секрет нашей восприимчивости к музыке слышимой. Музыкальный инструмент под названием «человек» временами может настраиваться и отражать неслышимую ухом музыку сфер. Надо полагать, именно об этом «Бич Бойз» и пели.

* * *

Хотя резонанс и служит яркой метафорой такому понятию, как общение, у этого физического явления есть другое, гораздо более прозаическое назначение — осуществлять все виды приема и передачи информации.

Резонансный контур лежит в основе принципа действия мобильного телефона, ноутбука с адаптером беспроводной сети, автомобильного радиоприемника или даже такого устройства, как радионяня. У резонансного имеется собственная частота, на которой он совершает колебания наиболее охотно; эта частота определяется конфигурацией резисторов и других электронных штуковин. Колебания — не что иное, как движение электрического тока туда и обратно по проводам контура. Принцип тот же, что и в примере с качелями на детской площадке — компоненты устройства создают такие условия, при которых ток колеблется в проводах особенно быстро.

Эти «качели» подталкивают как раз радиоволны. Будучи электромагнитным излучением, они в момент прохождения через металлическую антенну побуждают электроны в ней двигаться вверх-вниз; электроны порождают слабый ток. Причем, ток возникает при прохождении радиоволн через любой металлический предмет, будь то каминная кочерга, матрасные пружины или та же самая антенна. Однако движения электронов, то есть электрический ток, крайне слабы. Другое дело, если антенну соединить с резонансным контуром — возбуждаемые радиоволнами движения электронов совпадают с частотой, при которой контур резонирует, то есть с его резонансной частотой. Как слабые, но своевременные, соответствующие резонансной частоте качелей толчки наращивают их движение, так и легчайшие толчки радиоволн на резонансной частоте контура, воздействуя на электроны, наращивают ток.

Непостижимое переплетение проходящих через антенну устройства электромагнитных волн побуждает электроны в контуре колебаться взад-вперед. Но справедливо это только для тех волн, которые совпадают с резонансной частотой контура. Лишь они способны «подтолкнуть качели в нужный момент».

Таким образом, контур отзывается избирательно: из всей невообразимой какофонии электромагнитных волн он отфильтровывает тот сигнал, на который настроен. Совпадающая с резонансной частотой контура радиоволна называется несущей волной. Именно на нее — частоту, которая значительно усиливается по сравнению с остальными волнами, идущими фоном, — контур и отзывается. На эту несущую волну накладывается (совсем как океанические волны на большую волну зыби) тот единственно значимый сигнал: музыка по радио, разговор по телефону, плач малыша.

Волны определенным образом складываются, и улавливающему сигнал приемнику необходимо лишь выделить несущую волну (так широкую волну океанической зыби надо выровнять, чтобы осталось едва заметное волнение).

В некоторых приборах, например в радионяне, резонансная частота фиксирована; в других, таких как радиоприемник, резонансную частоту можно менять — поворотом колесика шкалы настройки. То же самое и с гитарой — поворот настроечного ключа меняет собственную частоту колебаний струны — та начинает откликаться на другие звуковые волны.

Итак, резонанс — важнейшее для эпохи дальней связи явление, благодаря ему из невероятного скопления электромагнитных излучений вычленяется один-единственный нужный сигнал.

* * *

Когда я жил в северо-западной части Лондона, то, работая в беседке нашего крошечного садика, регулярно сталкивался с феноменом резонанса. В крытой кровельным рубероидом восьмиугольной беседке было очень уютно во время дождя. Боюсь, человечество музыку падающих дождевых капель пока не оценило по достоинству. На мой взгляд, барабанная дробь льющейся с неба воды лучше всего позволяет сосредоточиться на работе. Чего никак не скажешь о звуке пролетающего над головой вертолета.

В то время уличная преступность в нашем районе цвела пышным цветом. До меня частенько доносился стрекот полицейского вертолета, преследующего подростков, когда те, пырнув кого-то ножом, удирали подворотнями. Так вот, шум вертолета создавал резонанс в беседке. Беседка — пустое помещение с открытым оконным проемом — выступала в роли огромного музыкального инструмента. Как на столб воздуха в трубке кларнета воздействуют изменяющиеся колебания давления воздуха, вызываемые вибрирующей тростью, в которую вы дуете, так и на воздух внутри беседки воздействует меняющееся давление, вызванное стрекотом вертолета. Пустое помещение с отверстиями обладает резонансной частотой гитарной струны. (Такую частоту вы слышите, когда дуете в горлышко стеклянной бутылки.) Оказалось, форма беседки и материалы, из которых она сделана, наделили ее собственной частотой колебаний, совпавшей с частотой колебаний работающих лопастей вертолетного винта. Если я оставлял окно открытым, стрекочущий звук был гораздо громче внутри беседки, чем снаружи. Порой мои барабанные перепонки едва не лопались: должен признаться, довольно неприятное напоминание о том, что звуковые волны — это изменения в давлении воздуха.

Возможно, мне стоило написать жалобу в органы местного самоуправления: мол, я стал жертвой резонирующих звуковых волн, вызванных захлестнувшей район волной подростковой преступности. Наверно, надо было потребовать, чтобы они с этой самой волной преступности что-то сделали, пока из-за нее не пострадали мои уши. А может, стоило написать жалобу шведской компании-изготовителю беседки, обвинив их в пренебрежении таким явлением, как резонанс, — не может быть, чтобы в Швеции не летали вертолеты.

* * *

Сомневаюсь, чтобы в свое время кто-то подавал жалобу на строителей гробниц и погребальных камер эпохи неолита. В конце каменного века (ок. 4 000 — 2 000 лет до н. э. в Европе) возводили мегалитические сооружения, большинство которых стоят и по сей день. Кроме земляных платформ, одиночных мегалитов и их комплексов, например Стоунхенджа, построенного в форме круга, многие выполнялись в виде земляных камер, иногда выложенных камнем, с одним или несколькими коридорами для доступа извне, часто крестообразной формы. И хотя в них были найдены только кости, утверждать, что постройки служили исключительно местами захоронений, нельзя — это могли быть и алтари для жертвоприношений, где поклонялись духам предков.

Акустическая археология как наука возникла совсем недавно; ученые, изучающие акустические свойства древних строений, предположили, что люди, спроектировавшие и построившие эти камеры, большое внимание уделяли резонансным свойствам подземных помещений.