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.

---

Трубы действуют подобно огромным музыкальным инструментам — своего рода диджериду[30]; они отзываются на рев, скрежет и гудки машин, притормаживающих у светофора на эстакаде. Длина полых сквозных труб — без малого 5 м; объясняется это тем, что выбранная основная частота резонанса должна приближаться к 33 герц очень низко звучащей ноты «до», располагающейся на фортепиано на три октавы ниже ноты «до» первой октавы.

Как в случае с вибрациями гитарной струны, в трубах резонируют и другие частоты — более высокие гармоники ноты «до». Стремясь добиться того, чтобы вместе с резонансом опорного тона «до» выделялись бы разные гармоники, Одланд и Ойнджер экспериментировали с положением микрофонов в каждой трубе. В конце концов было найдено такое положение, при котором транслировавшиеся через громкоговорители звуки пришлись Одланду и Ойнджеру по душе. В одной трубе они расположили микрофон на одной шестой от всей ее длины — в этом положении он воспринимал больше шестой и двенадцатый обертоны: оба — ноты «соль» (в одном случае выше ноты «до» первой октавы, в другом — ниже). В другой трубе микрофон расположили на двух седьмых от всей длины, подчеркивая седьмой обертон, «си-бемоль». Отделенный от ноты «до» всего полутоном, этот обертон, пожалуй, наименее гармоничный. Но Одланду и Ойнджеру его блюзовый оттенок понравился.

Два нехитро устроенных музыкальных инструмента вносят благозвучность в малоприятную сумятицу звуков дорожного движения, отбирая только те чистые частоты, которые резонируют в столбах воздуха. Транслирующийся из громкоговорителей внизу звук представляет собой гармоничное сочетание нот из обеих труб — преимущественно «до», «соль» и «си-бемоль», — причем звучание той или иной гармоники усиливается или затихает, в зависимости от интенсивности и тональности гула проезжающих машин. Более низкие шумовые звуки, например от двигателей автобусов и грузовиков, дают больше низких нот, резонирующих в трубах, а более высокие, например от легковых машин, мотоциклов, голосов пешеходов, дают больше высоких гармоник. Как выразились сами Одланд и Ойнджер, звуки «вдохнули в бездушное урбанистическое пространство жизнь — из заброшенного оно вновь стало обитаемым».{70}

«Гармонический мост» возле Массачусетского музея современного искусства в Норт-Адамсе, штат Массачусетс, придуманный Брюсом Одландом и Сэмом Ойнджером. Вверху: «Настроечная труба» на эстакаде. Внизу: Громкоговоритель под мостом передает ноту, при которой мост резонирует

Феномен резонанса рождается из тесных взаимоотношений волн и вибраций. Итак, в качестве итога перечислим три простых факта:

Волны и вибрации тесно связаны. Вибрации порождают волны, а волны являются распространяющимися видами колебаний.

Все, что способно вибрировать, обладает характерными собственными частотами колебаний, на которых вибрирует с наибольшей готовностью.

Волны с частотой, совпадающей с собственной частотой колебаний определенного вибрирующего тела, стремятся усилить его вибрации, сделать их все более и более выраженными.

Постучите по качественно сделанному бокалу для вина — вы услышите звучание чистой ноты, то есть звук собственного вида колебаний. Отойдите в дальний конец комнаты и пропойте эту ноту (в любой октаве). Вернитесь и прислушайтесь: бокал еще звучит в ответ на порожденные вами звуковые волны.

В самом явлении резонанса может и не быть ничего удивительного — это всего лишь дитя волны и вибрации, однако оно всегда вызывает ощущение чего-то таинственного, намекает на невидимые глазу волновые чудеса. Пропойте одну за другой разные ноты — бокал отзовется только на те, которые созвучны его собственной частоте колебаний.

Но резонанс возникает не только внутри физических вибраций и механических волн. Возникает он и внутри колебаний электрических токов и электромагнитных волн, например радиоволн. Резонансный контур внутри приемников дальней связи — будь то радионяня или система связи с космическим кораблем — средство, с помощью которого мы отделяем из невообразимого смешения передаваемых электромагнитными волнами сигналов единственно нужный сигнал.

Каждая волна по сути своей — вестник, она несет информацию о том, что ее породило. Это одна из функций волны — любая волна имеет свой источник. Она возникает в результате некоего возмущения, вибрации, колебания, то есть в результате какого-то явления, и неважно, кратковременное оно или непрерывное.

Бывает, помехи в виде других волн отсутствуют, что позволяет заметить ту самую единственную волну и расшифровать ее послание. В тихую, безоблачную ночь выпрыгивающая из воды в другом конце пруда рыбина заставляет отражение луны в воде танцевать и тем самым подсказывает рыбаку, куда забросить удочку. Однако чаще всего рядом с нужными нам волнами присутствуют другие, вносящие сумятицу, особенно сейчас, с развитием связи. В английском языке само слово broadcast[31] в буквальном смысле означает «посев вразброс», то есть разбрасывание семян на как можно большей площади и как можно более равномерно. То же самое можно сказать и о многих электромагнитных волнах — широкое вещание предполагает их прием на максимально большой территории. В каждый момент времени нас пронизывает бесчисленное множество электромагнитных посланий, волнами омывающих пространство вокруг; это сигналы радиостанций, средств связи аварийных служб, сигналы международного времени, а также сигналы мобильной связи, связи Wi-Fi, спутниковой, сигналы управления воздушным движением, текстовые сообщения, работа камеры контроля за скоростным движением, работа телеканалов, метеорологических радиолокаторов… Полную картину их столкновений и взаимодействий друг с другом — тут они накладываются, там переплетаются — представить в уме невозможно.

Из всей какофонии мы выуживаем одно-единственное зерно необходимой нам информации, и помогает нам в этом резонанс. Именно с его помощью удается вычленить переносимые волнами послания и сигналы. Благодаря резонансу хаос жизни упорядочивается, обретает ясность, а порой и красоту.

ЧЕТВЕРТАЯ ВОЛНА, КОТОРАЯ ПЛЫВЕТ ПО ТЕЧЕНИЮ

Протекающий по немецкой Баварии Айсбах (в переводе с немецкого — «ледяной ручей») представляет собой небольшой рукотворный водоток от реки Изар. Он течет вдоль проложенного под центральными улицами Мюнхена тоннеля, выходя из-под земли на территории парка «Английский сад».

Мшисто-зеленая вода, устремляясь из-под сводов тоннеля, тут же ударяется о вырастающий из бетонного основания крутой водораздел. Водораздел подбрасывает поток вверх, создавая стоячую волну около метра высотой — поток вздымается дугой и обрушивается на себя же, растекаясь вспененной водой. В летнее время на тротуаре Принцрегентен-штрассе, улицы, из-под которой вытекает Айсбах, собираются толпы галдящих туристов: свешиваясь с каменной балюстрады, они с любопытством разглядывают водный поток, фотографируют.

Но внимание их привлекает не столько волна, сколько седлающие ее серфингисты — те направляют свои доски вдоль стоячей волны, мчась с одного конца ледяного потока к другому. Местные жители катаются на волне Айсбаха еще с начала 1970-х — прямо в центре города, рядом с оживленной трассой. Канал всего метров десять шириной, на волне есть место только одному — выстраивается целая очередь из желающих прокатиться. Серфингист прыгает на передний склон стоячей волны и катается: с одной стороны водного потока до другой. Вода под серфингистом несется с приличной скоростью, но сам он остается на волне, поток его не уносит. Вода ледяная, и кататься можно только в специальном гидрокостюме; крутясь и выделывая невероятные прыжки, серфингисты порой окатывают зрителей на берегу тучей холодных брызг. Катаясь на такой волне, спортсмен в то же время никуда не удаляется — зрители видят каждое его движение с близкого расстояния, чего никогда не случается во время заплывов на океанических волнах. Только когда серфингист теряет равновесие или задевает поток краем доски, его уносит быстрым, в водоворотах, течением. И волну седлает следующий.

Серфинг на стоячей волне набирает в Мюнхене популярность. Серфингистов можно увидеть и на другом притоке этой же самой реки Изар — Флоссканале в местечке Флоссленде, что в южной части Мюнхена. Эта волна не такая внушительная, как волна Айсбаха, да и скорость потока медленней. Однако она устроена в самом широком месте канала, что позволяет большему числу зрителей понаблюдать за заплывами. Поэтому ежегодно в последнюю субботу июля там устраивают Мюнхенские открытые соревнования по серфингу. Это единственные соревнования в мире, проходящие в более чем 300 км от ближайшего побережья, а все благодаря стоячим волнам, формирующимся внутри бегущего потока.