О колебаниях и волнах

Вокруг нас все время рождаются и затухают колебательные явления. Колеблется ветка, с которой слетела птица. Колеблются маятники часов, качели. Под действием ветра колеблются деревья, провода, подвешенные на столбах, колеблется вода в озерах и морях. Вот вы бросили на гладкую поверхность озера камень, и от него побежали волны. Что произошло? Частицы воды в месте удара камня вдавились, вытеснив соседние частицы, и на поверхности воды образовался кольцеобразный горб. Затем в месте падения камня, вода поднялась вверх, но уже выше прежнего уровня - за первым горбом появился второй, а между ними - впадина. Далее частицы воды продолжают перемещаться попеременно вверх и вниз - колеблются, увлекая за собой все больше и больше соседних частиц воды. Образуются волны, расходящиеся от места своего возникновения концентрическими кругами. Подчеркиваю: частицы воды только колеблются, но не движутся вместе с волнами. В этом нетрудно убедиться, бросив на колеблющуюся поверхность воды щепку. Если нет ветра или течения воды, щепка будет лишь опускаться и подниматься над уровнем воды, не перемещаясь вместе с волнами. Водяные волны могут быть большими, т.е. сильными или маленькими - слабыми. Сильными мы называем такие волны, которые имеют большой размах колебаний, как говорят, большие амплитуды колебаний. Слабые волны имеют малые горбы - небольшую амплитуду. Чем больше амплитуды возникших волн, тем большую энергию они несут в себе. Энергия волн, возникших от брошенного камня, относительно невелика, однако она может заставить колебаться камыш и траву, растущие в озере. Но мы знаем, какие большие разрушения берега могут производить морские волны, обладающие большими амплитудами и, следовательно, большой энергией. Эти разрушения осуществляются именно той энергией, которую волны непрерывно отдают берегу. Волны могут быть частыми или редкими. Чем меньше расстояние между гребнями бегущих волн, тем короче каждая взятая в отдельности волна. Чем больше расстояние между волнами, тем длиннее волна. Длиной волны на воде мы называем расстояние между двумя соседними бегущими гребнями или впадинами. По мере удаления волн от места возникновения их амплитуды постепенно уменьшаются, затухают, но длина волн остается неизменной. Волны на воде можно также создавать, например, погружая в воду палку и ритмично, в такт с колебаниями воды, опуская и поднимая ее. И в этом случае волны будут затухающими. Но существовать они будут лишь до тех пор, пока мы не прекратим возмущать поверхность воды. А как возникают колебания обычных качелей? Это вы хорошо знаете: их надо подтолкнуть, вот они и будут качаться из стороны в сторону. Чем сильнее толчок, тем больше амплитуды колебаний. Эти колебания будут затухать, если не поддерживать их дополнительными толчками. Такие и многие другие подобные механические колебания мы видим. В природе же больше невидимых колебаний, которые мы слышим, ощущаем в виде звука. Не всегда, например, можно заметить колебания струны музыкального инструмента, но мы слышим, как она звучит. При порывах ветра в трубе возникает звук. Его создают колебательные движения воздуха в трубе, которые мы не видим. Звучат камертон, стакан, ложка, тарелка, ученическое перо, лист бумаги - они тоже колеблются. Да, мы живем в мире звуков, потому что многие окружающие нас тела, колеблясь, звучат. Как возникают звуковые волны в воздухе? Воздух состоит из невидимых глазам частиц. При ветре они могут переноситься на большие расстояния. Но они, кроме того, могут и колебаться. Например, если в воздухе сделать резкое движение палкой, то мы почувствуем легкий порыв ветра и одновременно услышим слабый звук. Звук этот - результат колебаний частиц воздуха, возбужденных колебаниями палки. Проведем такой опыт. Оттяним струну, например, гитары, а потом отпустим ее. Струна начнет дрожать - колебаться около своего первоначального положения покоя. Достаточно сильные колебания струны заметны на глаз. Слабые колебания струны можно только почувствовать как легкое щекотание, если прикоснуться к ней пальцем. Пока струна колеблется, мы слышим звук. Как только струна успокоится, звук затихнет. Рождение звука здесь - результат сгущения и разрежения частиц воздуха. Колеблясь из стороны в сторону, струна теснит, как бы прессует перед собой частицы воздуха, образуя в некотором его объеме области повышенного давления, а сзади, наоборот, области пониженного давления. Это и есть звуковые волны. Распространяясь в воздухе со скоростью около 340 м/с, они несут в себе некоторый запас энергии. В тот момент, когда до ухода доходит область повышенного давления звуковой волны, она надавливает на барабанную перепонку, несколько прогибая ее внутрь. Когда же до уха доходит разреженная область звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Барабанная перепонка все время колеблется в такт с чередующимися областями повышенного и пониженного давления воздуха. Эти колебания передаются по слуховому нерву в мозг, и мы воспринимаем их как звук. Чем больше амплитуды звуковых волн, тем больше энергии несут они в себе, тем громче воспринимаемый нами звук. Звуковые волны, как и водяные или электрические колебания, изображают волнистой линией - синусоидой. Ее горбы соответствуют областям повышенного давления, а впадины - областям пониженного давления воздуха. Область повышенного давления и следующая за нею область пониженного давления образуют звуковую волну. Мы живем и в мире электромагнитных колебаний, излучаемых электрическими приборами и всеми проводами, в которых течет переменный ток, огромным числом антенн радиостанций, атмосферными электрическими разрядами, недрами Земли и бесконечным Космосом. Только с помощью приборов, созданных человеком, они могут быть обнаружены и зафиксированы.