А. РАКИН
волны
БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ

волны
БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ
А. РАКИН
Художники
В. КУЖЕНАШВИЛИ
Н. НОВИКОВ
МОСКВА
«ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА»
1985
ПРЕДИСЛОВИЕ
Попробуйте внимательнее вглядеться в окружающий мир, и, может быть, вы
заметите, что он весь пронизан волнами.
Видите, как они льются на вас с неба, как трепещут в листьях деревьев?
Слышите, как бьются в каждой жилке, как овевают вас?
Чувствуете, как дрожит от них земля под ногами?
Не видите? Не слышите? Не чувствуете? Ну, ничего: увидеть, понять, ощутить пере-
менчивый мир волн поможет эта книжка, а расскажу я в ней
— о таких волнах, которых видно, но не слышно;
— о тех волнах, что слышно, но не видно, и, наконец,
— о волнах, которых не видно и не слышно, но с чьей помощью можно и видеть
и слышать.
р4802000000—216 073__84
М101(03)85
В мире прямо-таки тесно от волн, больших и маленьких, длинных и коротких.
Одни вздымаются выше мачт самых больших кораблей, а другие и в лупу не
усмотришь. Есть такие, что «на одном дыхании» обегают вокруг земного шара и
такие, что умещаются внутри атомов. Одни мчатся в космическом
пространстве со скоростью света, а другие столь медленны, что даже
заметить их движение не удастся за всю человеческую жизнь. Бывают, наконец,
и такие странные волны, у которых вообще нет высоты (правда, без длины
им все-таки не обойтись)..
Но начнется наш рассказ с волн самых привычных, хоть и не самых простых —
с тех, которых легче всего увидеть. Это волны, что гуляют по морю и по
дождевой луже,— и их-то мы больше всего и привыкли называть волнами.
3
МОРСКИЕ
СТРАННИЦЫ

ОТКУДА
В МОРЕ ВОЛНЫ!
Ты, наверное, и не догадываешься, сколь глубоки
и обширны твои «научные» познания о морских
волнах. Еще лет сто назад один большой насмешник,
Козьма Прутков, высказал не лишенную
справедливости мысль: «Бросая в воду камешки,
смотри на круги, ими образуемые; иначе такое
бросание будет пустой забавою». А ведь все мы
много раз бросали камни в воду, устраивали бури
в стакане, штормы в тарелке и настоящие ураганы
в ванне. Так что, если не лениться наблюдать, как
ведет себя при этом вода, если задавать побольше
вопросов и стараться на них самому отвечать,
можно считать, что это не пустая забава, а
всамделишная научная работа.
На один из самых первых вопросов — откуда
берутся в море волны? — каждый, пожалуй, сразу
даст правильный ответ: волны раскачивает
ветер. Люди поняли это давно: не зря по углам
старинных морских карт ветры обычно изображены
как пухлые физиономии с раздутыми щеками — они
дуют на моря, как на тарелку с горячим супом.
Если мама стерпит подобный опыт за обеденным
столом, он может подсказать тебе настоящий
физический закон: волны тем выше, чем больше для
них простора, чем сильнее ветер и чем дольше он
дует. Об этом же говорят формулы в толстых
научных книгах об океане. В книгах можно найти
и таблицы, точно показывающие, сколько времени
нужно ветру, чтобы разогнать в море волны, скажем,
двухметровой высоты.
А вот еще один важный вопрос, ответить на
который будет потруднее: как и почему движутся
волны? Любой, не задумываясь, скажет, что волны
расходятся кругами. Это, конечно, правда, но не
вся. И потом, не очень понятно, почему они
движутся именно так? Чтобы разобраться в этом
получше, поставим-ка еще раз всем известный
физический опыт — бросим камешек в воду.
Не думай, мореходы той эпохи, когда была создана эта
карта, уже не верили, что у ветров такой
страшновато-забавный облик. Античных богов-ветродуев в
шестнадцатом веке изображали на картах только для
украшения да как пояснение к «розе ветров». А вот
романтическая «роза ветров» — вполне серьезный научный и
практический документ. Посмотрев на нее, моряк почти наверняка
будет знать, с какими ветрами ему придется иметь дело,
скажем, в октябре на Балтике. И уж если опытному
моряку известны сила и направление ветра, он способен
предсказать, какое примерно волнение будет
завтра, а какое — послезавтра.
6
ВЫСОТА, МЕТРЫ
20
СКОРОСТЬ ВЕТРА 25м/сек
15
20м/сек
15м/сек
10
10м/сек
5 м/сек
10	20	30
ВРЕМЯ, ЧАСЫ
Чтобы понять, что такое «роза ветров», лучше всего построить
ее самому. Отмечай каждый день в течение месяца направление
ветра по флюгеру. Потом нарисуй стороны света (как на
картушке компаса) и, если, например, ветер дул с северо-запада
пять дней, отложи в северо-западном направлении пять
сантиметров. Проделай то же самое для всех остальных ветров,
соедини точки линиями — и «роза» готова. Только тогда она
окажется по-настоящему полезной, если измерения делались
много тысяч раз,— значит, придется не одно десятилетие изучать,
какие ветры чаще всего дуют в данной местности.
Сейчас мореходы полагаются не столько на старинную «розу»,
сколько на специальные справочные таблицы и графики. Хотите
узнать, какой высоты могут быть волны, если сильный ветер
(допустим, его скорость 25 метров в секунду) дует, не ослабевая,
целые сутки! Достаточно от числа часов на горизонтальной оси
провести вверх линию до красной кривой, а потом двигаться
влево до вертикальной оси — и ответ найден. 17 метров! Что же,
вполне возможно. Правда, в небольших морях (в Черном,
например) не хватает простора, чтобы разогнать такую волну.
Но в океане есть несколько «заповедников» гигантских волн,
где безветренной погоды почти не бывает и волны могут
разгуляться на тысячекилометровых пространствах. Одно из
таких опасных мест — «ревущие сороковые» в Южной Атлантике,
между сороковыми и пятидесятыми параллелями.
7
ПРИКЛЮЧЕНИЯ
ДОЖДЕВОЙ капли
На рисунке внизу показаны главные свойства любой волны.
Ее длина, или период,— это расстояние между двумя соседними
гребнями или двумя соседними впадинами. Высота, как видим,—
это разница между уровнем впадин и уровнем гребней. Часто
говорят и об амплитуде — разнице между средним уровнем
(то есть положением спокойной воды, когда по ней не бегут
волны) и уровнем гребней или впадин. Амплитуда обычно
равна половине высоты.
Итак, камень падает в воду...
Впрочем, лучше рассмотреть все как бы изнутри
поэтому представь себе, что ты сам — дождевая
капля, падающая, например, в пруд. Вода только
со стороны кажется мягкой и податливой. На
самом деле там все занято миллионами капелек,
тесно прижатых друг к другу. Чтобы отвоевать
себе место, придется бесцеремонно их растолкать.
Потеснить соседок, конечно, удастся, но их сестры, те,
что чуть дальше от тебя, вовсе не спешат
подвинуться или дать им дорогу. В начавшейся
давке и неразберихе всем каплям, которые тебя
окружают, остается одно: перекувырнувшись,
выбраться повыше, где на них никто не будет
давить. Так образуется первый круг — около того
места, где что-то упало в воду.
Но долго пробыть над водой твои соседки не
могут: под собственным весом они начинают
опускаться, выталкивая наверх другие капли,
подальше от тебя — так до них доходит весть о
твоем прибытии. Круг становится все шире, шире,
пока маленькая волна (ибо это она и есть) не
дойдет до берега, принеся к нему новость, что в
пруду стало одной каплей больше.
Понаблюдав немного за жизнью водяной капли,
можно рассказать о волне удивительные вещи.
Во-первых, каждая частица воды, качнувшись
вместе с волной, останется на том же самом месте,
где волна ее застала. Выходит, волна не уносит с
ДЛИНА ВОЛНЫ
ВЫСОТА	АМПЛИТУДА АМПЛИТУДА
8
собой даже и капельки воды. Путешествуют,
движутся лишь ее очертания, форма, а содержание
у волны в каждый следующий момент новое. Сейчас
вот эти капли заплясали под ее стремительным
гребнем, а через мгновение они забудут о
беспокойной гостье, тогда как волна растревожит
их соседей, чтобы еще через мгновение оставить
и их. Волна — лишь летящее известие, сообщение:
«Где-то что-то произошло». Вспомним волны на
пшеничном поле. Как и морские странницы, они
пробегают все поле от края до края, но ни один
колосок не проделывает этот путь вместе с волнами.
Каждый стебель, поклонившись ветру, остается на
месте, он крепко держится корнями за землю, а
сама волна убегает дальше, захватывая в своем
движении другие колосья. Запомни это: здесь
кроется главное качество почти всех волн,
отличающее их от прочих явлений природы.
Во-вторых, волну, бегущую по поверхности воды,
создают только те капли, что находятся
сравнительно неглубоко (то есть волна заставляет
двигаться только верхние слои воды). На глубине
большей, чем длина волны, вода уже практически
не откликается на плеск несущихся над ней волн.
(Посмотри на схему — длиной волны мы называем
расстояние между соседними гребнями; мерить ее
длину вдоль гребня было бы бесполезно: она
может оказаться и большой, и маленькой, но этот
размер почти никак не скажется на ее поведении).
Пляску водяных капель от пробегающей
волны можно сфотографировать, если в
воду насыпать несколько светящихся
песчинок, а снимок делать достаточно
долго, чтобы успеть посмотреть, как
они движутся. Светлые линии (смотри
рисунок внизу) — пути движения
песчинок. Заметь, что все эти линии
замкнуты, значит, движущиеся вместе с
водой песчинки на самом деле описывают
круги, не удаляясь от того места, где
начали свой «танец».
С глубиной размер кружков
уменьшается — ведь чем глубже, тем
ленивее участвуют капельки воды в
общем волновом движении.
жизнь
мертвой зыби
Идущий в открытом океане корабль — словно путник,
неспешно шагающий по холмистой равнине, где долгие
постепенные подъемы сменяются отлогими спусками.
Длинные волны с плавными обводами (1) для корабля
совсем не страшны, а вот короткие (2), даже не очень высокие,
представляют реальную опасность — такое волнение часто
бывает, к примеру, на Каспийском море.
В самом характере мертвой зыби заложены и спокойствие и
стремительность: судно за полминуты плавно опустилось метра на
два (3), а сама волна тем временем успела пробежать добрых
полкилометра!
Океанские волны подчиняются тем же самым
законам, что волны в пруду и даже в суповой
тарелке. И там, и тут волны расходятся кругами
от места своего рождения, только возникают они от
штормовых ветров, и размеры этих волн порой так
велики, что в ложбине между двумя соседними
гребнями может скрыться целый корабль.
Вспомним график на странице 6 — если крепкий
штормовой ветер будет дуть несколько дней
подряд, волны вырастут выше десяти метров. И это
только по расчетам, а свидетели, которым можно
доверять, говорят о встречах с тридцатиметровыми
штормовыми волнами. Судя по всему, при сильных
ураганах бывают волны и повыше, только редко
найдешь очевидцев, которые могли бы о них
рассказать. Лишь недавно удалось это подтвердить
с помощью спутников, которые из космоса
заглянули в сердцевину самых страшных тайфунов.
Бесстрастные оптические приборы обнаружили не
только волны фантастической высоты, но и еще
одно почти неправдоподобное явление.
Оказывается, в центре крупного урагана, куда не
может безнаказанно заплыть ни один корабль,
сформулированный только что закон о
ветре и волнах несправедлив. Там ветер немыслимой
силы несет водяную пыль над зеркальной гладью
насторожившегося океана, а штормовые волны даже
не смеют «поднять голову» — они вздымаются,
наконец, уже в стороне от центра урагана.
10
Чем дальше убегают волны от места, где
свирепствует шторм, тем спокойнее их облик.
В безветренную, или, говоря морским языком,
штилевую, погоду поверхность океана лениво
поднимается и опускается — лишь это и говорит
нам, что где-то за сотни километров от нас
яростный шторм кидает из стороны в сторону
попавшие в его власть корабли.
В этих словно полусонных волнах, которые
моряки назвали мертвой зыбью, медлительность
странным образом уживается с безостановочным
стремительным движением. Их высота почти
полностью скрадывается огромной длиной (между
соседними гребнями может быть больше ста метров),
так что обычно мерное дыхание мертвой зыби лишь
плавно вздымает или слегка покачивает идущие по
ней корабли. С палубы и не заметишь, что волна,
приподнявшая и опустившая корабль, за эти же
полминуты успела умчаться прочь на многие сотни
метров, то есть в своем беге она могла бы
настигнуть пассажирский поезд.
Ленивая стремительность мертвой зыби вызвала
к жизни прекрасный вид спорта — «сёрфинг»
(от английского «сёрф» — прибой). Он очень похож
на горнолыжный спорт (посмотрите фотографию
на странице 5). Разница только в том, что водяная
гора все время нагоняет скатывающегося с нее
человека и стремительно несет его вдоль берега —
иногда на расстояние в несколько километров!
Опытного капитана высота зыби не страшит —
опасность таится в ее крутизне. Иная волна не
так уж и высока, но коротка, а если расстояние
между соседними гребнями окажется меньше
длины корабля, она то подопрет корабль в середине,
подвесив над водой нос и корму, то совершенно
оголит его днище. Тогда корабль перестает
слушаться руля, едва сохраняет равновесие, а
иной раз — такие случаи бывали нередко — даже
разламывается пополам под собственным весом, не
выдержав однообразных, повторяющихся нагрузок.
Едва на мостике услышат надсадный вой судовой
машины, беспомощно вертящей в воздухе
корабельный винт, капитан понимает: вот он,
настоящий экзамен на морскую зрелость. Для того
чтобы вырваться из мягких, но безжалостных
объятий зыби, нужно до тонкостей знать не только
поведение волн, но и все причуды в характере
собственного судна.
Мертвая зыбь кругами, как от
брошенного в воду камня, расходится по
всему океану от того места, где
идет шторм. Но посмотри на
фотографию внизу. В случившемся не
надо винить штормовые ветры. Этот
океанский пароход (его длина была
160 метров, то есть превышала длину
даже крупной мертвой зыби) не
напоролся на рифы, не был выброшен
на скалы — он просто-напросто
переломился пополам на спокойной
океанской волне; значит, он был плохо
сконструирован и не хватило запаса
прочности.
эхо
ДАЛЕКОГО
ШТОРМА
И еще раз далекий шторм показывает свою жестокую силу, когда послан-
ная им зыбь доходит наконец до берега. Если место шторма удалено от
ближайших берегов на тысячи километров, волны пробегут это расстояние
за несколько суток. К концу долгого пути (сам шторм к этому времени уже,
наверное, кончился) они едва достигают высоты в метр-полтора. Но вот,
почувствовав под собой дно (а любая волна — вспомним вторую главу —
будет чувствовать дно, как только глубина станет меньше расстояния между
соседними гребнями), волна начинает расти, резко заостряется, ее верхушка
угрожающе наклоняется, и она с грохотом обрушивается на берег. Сила ее удара
огромна — представьте себе, что товарный поезд, составленный из цистерн
с водой, врезался на полном ходу в каменную стену. Сравнение это не случайно:
ведь скорость мертвой зыби не уступает скорости поезда, а каждая волна,
выкатываясь на берег, приносит с собой сотни и даже тысячи тонн воды.
На океанском побережье прибой не стихает никогда: не проходит и дня, чтобы
Волна, набегающая на пологий берег.
В открытом море это была
обычная мертвая зыбь, не слишком
высокая, с плавными обводами. Но
там, где волна уже чувствует дно, ей
становится тесно, и она громоздится
все выше и выше. Нижняя часть волны
тормозится о дно, и верхушка
начинает ее обгонять. Наконец волна
теряет равновесие и с грохотом рушится,
поднимая тучи брызг.
Дорога, соединяющая эти
многочисленные островки в открытом
океане, проложена по гребню дамбы —
искусственно созданной полоски суши.
Подобные грандиозные сооружения,
потребовавшие от людей героического
труда, можно найти у множества портов,
стоящих на океанском берегу.
12
где-нибудь в океане не бушевал шторм, а волны от него добегают до самых
отдаленных берегов. По вине прибоя для моряков тысячи километров береговой
линии — не гостеприимный дом, а коварная западня.
Прибойная волна с давних пор доставляла людям немало хлопот. Чтобы защитить от
ее пушечных ударов береговые постройки или корабли у причалов, в море
строили из гранита, стали и бетона целые крепостные стены. Только
недавно был придуман волнолом, не требующий нагромождения бетонных
конструкций: по дну проложена труба с мелкими дырочками, а в нее
накачивают сжатый воздух. Пузырьки поднимаются со дна и становятся для
волны не меньшей преградой, чем каменная стена. Они глушат движение
волны, нарушая упорядоченное давление капелек друг на дружку,—
точно так же, как слой ваты заглушает звук.
Однако просто защититься от прибоя — еще не все.
Сейчас люди стали задумываться, как этого извечного врага сделать если уж
не другом, то, по крайней мере, слугой. За последние годы инженеры и
изобретатели разных стран придумали несколько хитроумных конструкций,
которые способны отобрать у волн часть их разрушительной энергии и направить
ее на полезные дела. Они предлагают поставить в полосе прибоя поплавки —
они будут, поднимаясь и опускаясь вместе с волной, вращать валы
электрогенераторов, установленных над водой. Другие собираются строить
набережные из пружинящих щитов — прогибаясь под ударами прибойных волн,
они преобразуют их энергию в электрический ток.
Все эти устройства пока еще, увы, слишком сложны, громоздки и дороги,
еще не выбран самый лучший и простой способ, как заставить волны, днем и ночью
бьющие в земную твердь, работать на благо людей. Может быть, кто-то
из вас предложит свое решение? Не бойтесь — ведь смекалка и внимательный
взгляд иной раз стоят не меньше, чем тома технической литературы...
На плане марокканского порта
Дар-эль-Байда (раньше он носил
известное морякам всех времен имя
Касабланка) хорошо виден
искусственный мол-волнолом. Он
выдается в океан из обрывистого
скалистого берега и заботливо
предохраняет портовые сооружения
от натиска океанских волн. Обычно
волнолом с высоты птичьего полета —
всего лишь тонкая черточка, с одной
стороны которой вечно топорщится
кружево прибоя. Но вблизи волнолом —
беспорядочное нагромождение огромных
бетонных глыб, сделанных в форме
куба или пирамиды. Может, так
раскидали их океанский прибой или
гигантские волны от близкого шторма!
Нет, кажущаяся небрежность
строителей преднамеренна: ведь,
когда волна обрушивается на груду этих
глыб, вода частично растекается по
многочисленным щелям между ними,
и благодаря этому удар по
волнолому будет слабее, так как часть
энергии прибойной волны уходит на
перераспределение потоков. Так что
преграда с щелями оказывается на деле
более надежной, чем стенка,
сложенная из точно таких же бетонных
блоков.
13
ЗАГАДКА
ДЕВЯТОГО ВАЛА
Волны от далекого шторма приходят к берегу
друг за другом, цепочкой, как бы гуськом.
Ученые зовут эту последовательность волн
волновым пакетом, а по-английски еще более
точно — волновым поездом. Но тот, кто когда-либо
видел прибой, сразу же возразит: «О какой такой
последовательности может быть речь — ведь у
берега, особенно у крутого, волны устраивают
настоящую толчею. Нет там никакого порядка!»
Замечание справедливое: такое беспорядочное
волнение моряки в самом деле называют толчеей
волн и усмотреть здесь порядок действительно
сложно. Выдающийся английский ученый лорд Рэлей,
всю жизнь изучавший законы волнового движения и
удостоенный за свои успехи в этом многих почестей,
У волны от далекого шторма, бегущей
по спокойному океану, будет довольно
аккуратная форма: все гребни
одинаковой высоты (то есть у нее
постоянная амплитуда) и чередуются они
равномерно (длина волны не меняется).
Любопытно, что всклокоченные
штормовые валы, вырвавшиеся на
безветренные просторы,
сами по себе принимают
округлую, сравнительно «правильную»
форму. ▲ вот другая волна. Ее форма
тоже аккуратна, гребни одинаковой
высоты, только расстояние между ними
(длина этой волны) немного меньше, чем
у первой. Теперь попробуем сложить
эти волны — так же, как складываются
они, встречаясь в океане. Поступим вот
как: в тех местах, где гребень
приходится над гребнем, надо сделать
вершину двойной высоты; где впадина
совпадает со впадиной — впадину
двойной глубины; а вот где вершина
одной волны приходится на впадину
другой или впадина накладывается на
гребень, они взаимно уничтожатся.
Получается очень замысловатая
картина, в которой большие и маленькие
волны чередуются в определенной
последовательности. Высота волн теперь
как бы пульсирует — она то нарастает,
то сходит вовсе на нет, и случается
это через одни и те же промежутки
времени.
14
однажды посетовал: «Единственный закон, которому
подчиняется морское волнение,— это отсутствие
всякого закона».
И все же лорд Рэлей, пожалуй, погорячился.
Усмотреть закономерности в этой толчее
действительно трудно, а вот понять, как получается
сам беспорядок, как он устроен, не только можно,
но и нужно. К берегу, с которого мы любуемся
прибоем, постоянно приходят со всех сторон
волны — ведь на огромных океанских просторах
всегда бушуют десятки штормов. От них и
расходятся во все стороны волновые пакеты с
волнами разной высоты и длины. У берега они
перемешиваются, и в получающейся толчее уже
не разберешь, какая волна откуда. Но существует,
оказывается, особый закон сложения волновых
пакетов. Если приходящие к нам волны некоторое
время не изменяют своего вида, то картина,
получающаяся в результате их сложения (или
наложения волновых пакетов), будет снова
и снова повторяться. Правда, иногда надо ждать
несколько минут, чтобы прошла череда
самых разных волн и наконец появилась бы уже
знакомая нам последовательность. А ведь за
несколько минут о берег разобьется десятка два
волн! Поэтому надо набраться как следует
терпения, если захочешь уловить порядок в
кажущемся беспорядке. И вдруг заметишь: вот
снова идет большая волна, за ней маленькая,
Если сложить не две, а пять или десять «правильных» волн,
беспорядок будет еще больше — только беспорядок этот
кажущийся. На самом деле через одинаковые промежутки
картина все-таки повторяется. Повторяется и самая большая
волна. Складывая разные волны, увидим, что волна-гигант может
быть любой по счету — это зависит и от числа складываемых
волн, и от взаимного расположения их гребней и впадин.
Если вглядеться в вереницы волн, пересекающиеся на
поверхности пруда, можно заметить еще одно свойство,
характерное для взаимодействия практически всех волн, о которых
идет речь в этой книге. Смотрите: в месте встречи волновые
цепочки на мгновение создали почти беспорядочную толчею, но
вот они разошлись — и каждая из цепочек катится дальше
как ни в чем не бывало. Словно встречи и в помине не было!
потом какая-то средняя, потом совсем маленькая,
потом еще, еще... и вдруг опять большая,
за которой все более или менее повторяется
снова.
Моряки издавна имели возможность подолгу
следить за танцующими волнами. И еще в
древности, когда о законах движения волн люди
имели самое смутное представление, родилась
легенда о каком-то особо страшном вале — то
ли девятом, то ли двенадцатом. Если побываешь на
берегу моря, попробуй сам проверить эту легенду,
в которой все-таки скрыто зерно научной истины:
ведь действительно одна из череды волн будет
больше остальных. Но какая же из волн окажется
самой большой — девятая, двенадцатая или, может,
какая-нибудь другая?
15
ДЫХАНИЕ
ОКЕАНА
Среди волн, катящихся день-деньской на берег океана, есть и такая, которую
не спутаешь ни с одной другой,— приливная волна. Но казалось бы, одно дело —
волны, другое — приливы. С какой стати называть их одним именем? Попробуем
взглянуть на Землю из космоса или хотя бы покрутим глобус. Мы увидим, что
все океаны нашей планеты во многих местах соединены друг с другом и что
правильнее, наверное, говорить о едином Мировом океане — безграничном
синем пространстве, по которому там и сям, наподобие островов, разбросаны
материки, занимающие всего около трети земной поверхности.
Именно в Мировом океане и разогналась приливная волна — она почти не
встречает препятствий на своем вечном круговом пути, не замечает границ между
крохотными по ее меркам морями. На всем земном шаре умещается только два
периода этой волны: когда, например, один ее гребень бежит по Тихому океану,
его единственный брат катится по Атлантике. Высота этой волны, местами
огромная — до двух десятков метров, при таком размахе выглядит весьма скромно,
так что ее крутизну (порядка метра на тысячи километров) могут заметить
только изощренные приборы, установленные на спутниках.
Волна эта посещает все берега Мирового океана дважды в сутки, только в
иных местах она почти незаметна за обычным плеском прибоя, но кое-где
вздымается и на высоту пятиэтажного дома. Люди уже привыкли к тому, что изо
дня в день она с неизбежностью солнечных восходов и закатов медленно
заливает берег, а потом так же неспешно уходит назад. Жители побережья
даже распорядок своих дел приноровили к расписанию приливной волны.
В устьях Амазонки, Янцзы и некоторых других полноводных рек, впадающих в
открытый океан, приливная волна создает так называемые боры — многометровые
водяные валы, прокатывающиеся на десятки километров вверх по реке. Эти валы
могли бы нанести большой урон, если бы люди не освоились с этим грозным
явлением. А речники даже позволяют себе дерзкие забавы: незадолго до прихода
бора в устье реки на фарватере выстраивается несколько речных суденышек, и
когда волна с грохотом входит в реку, капитаны, ловко оседлав передовой
вал, совсем как любители сёрфинга, катят на нем до тех мест, куда иначе
пришлось бы тащиться целыми днями, преодолевая речное течение.
К размеренному дыханию океана приспособился не только человек. Есть
целое содружество организмов, образ жизни которых согласован с ритмом
На графике вверху показано, как
изменялся уровень воды в одном
месте океанского побережья. Не
правда ли, он напоминает недавно
построенную нами сумму двух волн!
Но ведь здесь и в самом деле
складывались две приливных волны:
одна, более мощная, вызвана
действием Луны, вторая же, сравнительно
небольшая, порождена притяжением
Солнца.
Влияние Луны на водные массы
Мирового океана на Земле можно
представлять себе (в сильно
искаженном, конечно, масштабе) так,
как это изображено на рисунке
справа. Приливная волна немного
отстает от движения Луны.
16
приливной волны: половину времени они греются на солнышке и дышат воздухом,
а вторую половину живут под водой, где тоже чувствуют себя отменно. Сотни
миллионов лет назад именно приливы послужили той ступенькой, которая помогла
океанским существам освоиться с воздухом суши, постепенно выбраться на еще
безжизненные материки, а в дальнейшем своем развитии породить все
разнообразие сухопутной жизни, в том числе и человека.
Но зародилась приливная волна не от шторма (да и где найти такой шторм,
чтобы разогнал волну длиной в половину земного шара?), она вызвана влиянием...
Луны. Ты озадачен, и неудивительно — ведь даже Галилео Галилей, один из
величайших физиков XV века, никак не хотел поверить в неправдоподобную связь
между приливами и далекими небесными телами.
Великого ученого легко понять. В его времена астрологи, звездочеты,
гадалки все что угодно объясняли расположением светил или влиянием планет.
Образованные люди и тогда относились к таким доводам без всякого уважения,
самого же Галилея эти предрассудки раздражали настолько, что он (это бывает
даже с великими мыслителями) впал в предрассудок противоположного толка,
отрицая вообще всякую связь между явлениями небесными и земными.
Правда, воздействие Луны на земные океаны очень сложно и в этой
книжке его в тонкостях не объяснишь. Упрощенно эту картину можно представить
так: Луна своим притяжением (пусть и не очень большим) чуть-чуть изменяет
характер вращения Земли, а возникшие в результате этого силы слегка
растаскивают водную оболочку Земли — к самой Луне и в противоположную сторону.
И вот два водных «пузыря» бегут следом за Луной. Но во-первых, «пузыри»
эти, то есть приливная волна, не поспевают за движением Луны, все время
немного отстают от нее. (Не забудьте только, что Луна обращается вокруг Земли
за 28 суток, а вовсе не так быстро, как представляется нам: это сама Земля
быстро — один оборот за сутки — вращается вокруг своей оси; но для приливной
волны важно лишь положение Луны относительно Земли.) Во-вторых, на
«лунную» приливную волну накладывается еще одна приливная волна — порожденная
Солнцем (то есть его кажущимся вращением вокруг Земли). А если вдобавок
представить себе, что берег в одних случаях гасит волну, а в других,
наоборот, еще усиливает, станет понятно, почему до сих пор невозможно рассчитать
приливы на много веков вперед.
Легко представить себе, сколько
хлопот будет от приливной волны
у моряков и работников порта, если
построить причалы в зоне больших
приливов. То вода отступает — и
причальные сооружения возвышаются
над пришвартованными у них судами;
то она поднимается — и причалы чуть ли
не скрываются в волнах. Вот и
приходится поглядывать за
натяжением канатов: если их слишком
натянуть, они могут и опрокинуть
корабль, а если излишне ослабить,
корабль начнет «гулять» вдоль
причальной стенки под действием
приливных течений, которые несколько
раз в день меняют свой путь по
акватории порта.
Красным цветом на схеме показаны
те места на океанском
побережье, где высота приливов
больше трех метров, а зеленым — где
меньше полутора. Близкое соседство
красных и зеленых полос
свидетельствует, сколь сложна форма
приливной волны вблизи изрезанного
заливами берега. Во внутренние моря
приливная волна почти не проникает:
на Черном или на Балтийском море
приливы составляют считанные
сантиметры.
17
«БОЛЬШАЯ
ВОЛНА»
/1'
m
Вот они, издавна страшные для японцев иероглифы — «большая
волна».
Точками на карте показаны места, где наиболее часто
происходят землетрясения и извержения вулканов. Они
вытянулись плотной цепочкой, окружив весь Тихий океан. Каждый
раз, когда в одном из этих мест сотрясается дно океана,
разрушительные волны приносят беду не только на близлежащее
побережье, но даже и на противоположный материк, куда они
добегают за считанные часы, почти не встречая преград на своем
пути. Мелкие, не слишком опасные цунами случаются на Тихом
океане каждую неделю, но жители побережья всегда должны быть
готовы к приходу настоящей катастрофической волны. Во многих
японских деревушках стоят одинаковые каменные обелиски с
одной и той же надписью: «Почувствовал землетрясение — жди
цунами, увидел цунами — беги на гору».
Волны большей, чем приливная, в океане,
казалось бы, не найти. Верно, более длинная волна
в нем просто не поместится, но вот волны повыше
приливной встречаются. Самую высокую и самую
страшную волну из всех, какие водятся в океане,
японцы, больше других настрадавшиеся от ее
произвола, назвали словом «цунами», что значит
«высокая вода» или «большая волна». Обычные,
пусть даже и очень большие волны, возникнув во
время шторма, отправляются путешествовать через
океан длинными цепочками-поездами. А вот
цунами—это одиночная волна (хотя бывает их
по пять — десять кряду), и порождает ее не шторм,
а какая-нибудь катастрофа — например, подводное
землетрясение или извержение подводного вулкана.
В этом смысле цунами больше похожа на волны
расходящиеся от брошенного в воду камня. Только
создать такую волну смог бы лишь огромный
камень, величиной с гору.
Людям почти не доводилось видеть, как
рождается цунами, но всего через несколько
километров от места возникновения эта волна
становится с виду еще более неприметной, чем
зыбь от далекого шторма. Несется она с
неправдоподобной скоростью — больше семисот
километров в час,— однако длинные пологие склоны
так хорошо скрадывают ее скорость и высоту, что
порой цунами не замечали даже моряки с
кораблей, встретившихся на ее пути. Но едва она
достигнет берега, на людей обрушится, пожалуй,
самое тяжелое несчастье какое только уготовил
для них океан.
18
Обычно незадолго до прихода волны-убийцы
начинается неожиданный отлив. Вода уходит от
берега на многие сотни метров. Это верный признак
беды: через несколько минут на прибрежные
города и рыбацкие поселки накатится огромная
стена воды, сметающая все на своем пути.
Фантастическую силу этой волны можно представить
по одному случаю, происшедшему лет сто назад
на Тихоокеанском побережье Америки. Тогда цунами
подняла целый пароход, стоявший в гавани на
якоре, перенесла его через портовый город и мягко
опустила далеко на суше. Рассказывают, что
команда, дожидаясь, какое решение примет его
хозяин, живший на другом конце света, не покинула
своего парохода и даже разбила вокруг него огород.
К сожалению, такие курьезы бывают исключительно
редко. Как же защитить людей от этого несчастья?
Хорошо бы знать о роковой волне хоть за час,
чтобы люди успели уехать в глубь суши, а корабли
отошли в открытое море... Это, оказывается,
возможно. Предсказать появление цунами помогают
другие волны, которые рождаются одновременно со
страшной волной, но бегут в земной коре,
причем гораздо быстрее цунами. Но об этих
волнах — сейсмических — речь пойдет позже.
Скажем только, что с помощью сейсмических волн
ученые из Новосибирска научились определять
направление опасности, а специалисты Института
прикладной физики из Горького создали способы
расчета того, как поведет себя цунами при выходе на
берег. Благодаря этому удается выделить те места
на побережье, где «большая волна» наиболее опасна.
Картина Кацусика Хокусая, одного из величайших японских
художников прошлого века, тоже называется «Большая волна».
По тому, как лаконично, но точно вырисованы страшные волны,
можно понять, что для автора это явно не сказочная угроза,
а живая и хорошо знакомая действительность.
На фотографии видно, какие последствия от действия волны
бывают, если вовремя не вывести суда в море: это фото было
сделано на недавно еще многолюдной улице города Кадьяк на
Аляске.
«МЕРТВАЯ
ВОДА»
В апреле 1963 года весь мир облетело известие: в океане исчезла американская
атомная подводная лодка «Трешер», пропали без вести 129 подводников.
Поначалу в это трудно было поверить: подводный крейсер-ракетоносец — не
иголка. Однако тщательные розыски ни к чему не привели. Американское
военное министерство начало расследование, полагая, что это чья-то диверсия.
Так и осталась бы гибель «Трешера» еще одной неразгаданной тайной, если бы к
поискам не привлекли океанологов — ученых, исследующих океан. Когда
выяснилось, в каком районе последний раз вышел на связь
подводный корабль, они, разложив свои океанологические карты, дали ответ:
виноваты в случившемся... волны! Но только не те волны, о которых
шел разговор до сих пор, не волны на поверхности океана, а волны внутренние.
Ученые знали, что под совершенно спокойной поверхностью моря могут бушевать
свои, бесшумные бури, могут медленно и безмолвно гулять волны высотой
чуть ли не в сотню метров.
Чтобы понять, о чем речь, советую поставить один опыт. Аккуратно сольем
в стакан две жидкости, которые плохо смешиваются между собой,— более
легкую последней, чтобы она оказалась сверху. Проще всего взять обычную воду
(для яркости слегка подкрась ее вареньем), а поверх нее налить подсолнечное
масло. В стакане получится как бы слоеный пирог с очень четкой границей
между водой и маслом.
Осторожно покачаем стакан. Сверху, по слою масла, побегут мелкие волны,
но нас интересует лишь то, что происходит на границе между маслом
и водой. При медленном покачивании эта граница начнет плавно выгибаться —
по ней тоже пойдут волны, только медленнее и круче тех, что на поверхности.
Это и есть внутренние волны — они существуют в толще жидкости, а точнее,
на границе, где смыкаются жидкости с разной плотностью.
В море между разными по свойствам слоями воды тоже пролегают четкие
границы. Внизу скапливается более тяжелая вода (более холодная или более
соленая), а наверх всплывает более легкая. Особенно заметно это явление около
проливов или в устьях рек, где встречаются водные массы с разными свойствами.
«Трешер» затерялся в Атлантическом океане прямо напротив Гибралтарского
Опыт с водой и маслом лучше бы,
конечно, проделать в посудине
побольше, но для этого потребуется
слишком много масла.
Увидеть «внутренний шторм» в
толще воды невозможно. Нам удается
наблюдать только его следы: например,
в виде записи температурных датчиков
(для волны, записанной на
этой ленте, период составляет «всего»
10—15 минут, а амплитуда —
5—6 метров).
20
пролива, через который в Атлантику, намного ниже уровня океанской поверхности,
вливается огромный поток холодной воды. Эта «подводная река» стокилометровой
ширины несколькими водопадами скатывается в глубокие ущелья океанского дна.
Океанологи уже знали, что здесь, на границе между слоями, образуются очень
большие внутренние волны. На поверхности океана эти глубоководные гиганты
незаметны — уж слишком они медлительны, чтобы раскачать наверху хотя бы
маленькую рябь; ведь период одной такой волны — несколько часов...
Подводникам оказалось удобно плавать по границе между тяжелой и легкой
водой: здесь корабль ведет себя очень устойчиво, не рыскает вверх-вниз, хотя
и хуже слушается рулей глубины. Но если как раз на этой границе разгулялся
бесшумный и медленный внутренний шторм, то недавно еще гладкая «дорога»
начинает вздыматься высоченными холмами и рушиться в глубокие впадины.
Стоит только капитану, доверившему управление кораблем автоматическому
штурману, вовремя не заметить, что приборы показывают «шторм»,— и корабль
может соскользнуть по склону подводной волны на такую глубину, где его раздавит
чудовищное давление лежащей над ним воды...
Океанологи оказались правы: в указанном ими районе, где, казалось бы, подводной
лодке не угрожала никакая опасность, специальная глубоководная экспедиция
нашла ее расплющенные обломки. Впоследствии ученые разработали особые
рекомендации для подводников, чтобы не допустить новых катастроф на
подводных дорогах.
Внутренние волны мешают порой и тем, кто плавает по поверхности моря.
Моряки давно замечали, что в Северном море, например, есть такие
места, на которых быстроходные корабли будто прилипали к месту:
как ни надрывалась судовая машина, корабль тащился медленнее черепахи.
Назвали это странное явление «мертвой водой», но объяснить его никто не
мог. Только после второй мировой войны ученым удалось доказать, что в загадке
«мертвой воды» тоже повинны внутренние волны. Когда граница между слоями
разной воды лежит всего в нескольких метрах от поверхности, судовой винт лишь
поднимает внутренние волны, разгоняет их в пограничном слое, и на это уходит
почти вся энергия двигателя.
Всякий, кто мало-мальски силен в
географии, сразу узнает на этом снимке,
сделанном из космоса, очертания
Крымского полуострова. Видны на нем,
однако, и следы сразу двух видов
внутренних волн — в толще воды и в
воздухе. Мелкая (в масштабах снимка)
рябь в водах, омывающих южную
оконечность полуострова,— это череда
подошедших к берегу внутренних волн.
Серебристые полосы в правом верхнем
углу — узкие и длинные облака,
сопутствующие гребням внутренних
волн, распространяющихся в
атмосфере.
21
КАК ВЗРОСЛЫЕ
ИГРАЮТ
В КОРАБЛИКИ
Многие тайны океана тысячелетиями оставались
непонятны самым опытным морякам. И даже
в XX веке из-за этого рождались невероятные
легенды. Лишь ученые поняли, что самые разные
волновые чудеса строго подчиняются единым
законам физики. В чем же состоит могущество
науки? В строгих опытах, прямых вопросах и
честных ответах. Чтобы до тонкостей
прочувствовать характер волн, надо как можно
пристальнее наблюдать за ними. Для этого
построены большие ванны и бассейны, в которых с
помощью специальных машин создают самые разные
волны, обмеряют их со всех сторон, ставят на их
пути всевозможные препятствия. Можно даже пускать
по этим волнам маленькие игрушечные
кораблики и смотреть как они себя поведут
Однако в обычном бассейне, похожем на
плавательный, большую волну не разгонишь — он
для нее слишком короток. По-настоящему большие
волны (высотой в несколько метров) получают
в «бесконечном волновом канале».
Он и в самом деле бесконечен, хотя занимает
относительно немного места,— просто он изогнут в
виде окружности, так что его конец переходит в
его же собственное начало. В таком бассейне с
помощью вентиляторов устраивают многочасовые
штормовые ветры, и волна, подгоняемая ими, в
своем безостановочном беге по кругу может вырасти
до настоящей штормовой волны.
О важности таких опытов, хоть и похожи они на
детские забавы, я думаю, много говорить не нужно —
ведь, зная, как плавает маленький кораблик на
маленькой волне, можно предсказать, что будет с
большим при настоящем шторме. Можно, не рискуя
ничьей жизнью, устроить хоть тысячу
кораблекрушений, а потом спокойно обдумать, как
лучше их избежать. Эти «игры для взрослых»
называются научным и инженерным моделированием.
Однако понять все причуды океанских волн с
помощью только одних лабораторных опытов еще
нельзя. Надо бы понаблюдать за ними, как за дикими
животными, в их родной стихии. Но как же это
сделать? Смотреть с берега толку мало — здесь
волны ведут себя совсем не так, как на морском
просторе. Тогда, может, с корабля? Тоже трудно.
Ведь корабль сам игрушка волн, так что одни волны
Если в лаборатории получить настоящие волны и настоящие
течения, на их пути достаточно поставить различные
препятствия — и можно наблюдать, как прибой намывает
песчаные пляжи, как штормовые волны разрушают бетонные
причалы, как борются с ветром и волной разные корабли.
с палубы и не заметишь, а другие могут
показаться высотой до самого неба. Вот бы
построить в океане островок, такой маленький,
чтобы волны его как бы не чувствовали, не
замечали, но чтобы сам он при этом оставался
совершенно неподвижен. Только как построить
островок там, где до дна несколько километров?
Тот, кто ловил рыбу в ветреную погоду,
пользуясь обычным поплавком, знает, что это за
мучение: поплавок так пляшет на воде, что
поклевки и не заметишь. Если же поставить поплавок
узкий, сделанный, например, из пера, то он даже
при сильной ряби будет стоять, как вбитый гвоздь.
Объясняется это тем, что на поверхности волна не
чувствует его тоненького тельца, а сам он
уходит на такую глубину, куда не достает короткая
поверхностная рябь. (Вспомним: волна начинает
чувствовать дно, когда расстояние до него
становится меньше ее длины. То же и здесь: на
глубине большей длины волны сама волна уже
почти незаметна.)
А что, если построить в океане огромный поплавок,
основная масса которого будет погружена на
такую глубину, где волн уже почти нет? Еще
лучше, если этот поплавок в том месте,
особенно ярятся, то есть у поверхности, сделать
как можно более тонким, чтобы это
странное сооружение (ни остров, ни корабль —
обычно его называют или «плавучий остров», или
«обитаемый стабилизированный буй») плавало
в океане, не кланяясь никакой волне. Действительно,
когда построили такую громадину высотой
с тридцатиэтажный дом, она оправдала все ожидания.
В любой шторм плавучий остров неколебимо стоял
в бушующем океане, а огромные
его тоненькую шейку, не обращая
внимания. В каютах, устроенных на
пятнадцати метров над водой, куда
брызги от высоких волн, качка почти не
чувствовалась, будто это были обычные сухопутные
комнаты. (Еще бы — ведь при волне высотой в
несколько метров отклик, то есть колебания такого
буя, составляет всего несколько сантиметров )
Океанологам до того понравился этот остров-буй,
что сейчас в океане под флагами многих стран
плавают уже десятки железных островов. Здесь не
только ведутся научные исследования — на таких
плавучих лабораториях располагаются маяки,
радиостанции, пункты наблюдения за погодой и
многое другое.
где волны
волны обтекали
на нее
высоте
не долетают
никакого
десяти —
А вот как выглядит настоящий плавучий
остров, или стабилизированный
обитаемый морской буй:
А. Это не только крыша, а, как
полагается у моряков, верхняя палуба.
Заодно она может служить вертолетной
площадкой. Справа на ней настоящая
мачта, которая необходима всякому
судну, даже если это и плавучий остров:
на ней вывешиваются сигнальные огни,
кроме того, она поддерживает
радиоантенны.
Б. Здесь расположены просторные,
удобные каюты и, разумеется,
исследовательские лаборатории.
В. Шейка острова-буя не так уж и
тонка — внутри нее движется лифт, на
котором можно добраться до нижних
ярусов этого громадного аппарата.
Г. В самом низу размещены запасы
горючего, сжатого воздуха,
электрические аккумуляторы.
Д. К этой массивной «серьге»
прикрепляют якорный канат. Он может
понадобиться, если нам необходимо,
чтобы остров стоял на месте. Впрочем,
иной раз бывает интереснее, когда он
дрейфует вместе с океанскими
течениями.
Е. Снаружи остров увешан
всевозможными приборами, которые
следят за поведением ветра, течения,
волн, вслушиваются в голоса океана или
принимают сигналы из космоса.
23
СЕКРЕТЫ
МАЯТНИКА
И СТРУНЫ

УПРЯМЫЙ
МАЯТНИК
Таковы были часы до Галилея и в
его эпоху (фото внизу). Громадные
размеры этих измерителей времени
вовсе не гарантировали точности —
определять время по солнцу было
надежнее.
На фото справа — обычные наручные
часы с открытой задней крышкой.
Они привычны, никого не удивляет их
миниатюрность, а достигнута она
благодаря использованию вот этого
крошечного маятничка. Он никак не
похож на люстру, подвешенную на цепи,
но тем не менее и он совершает
периодические колебания, а значит,
является полноправным маятником.
Оставим на время разговор о волнах. Правда, речь пойдет о явлениях и
законах, имеющих к ним самое близкое отношение. Начнем с одной истории,
которая произошла лет четыреста тому назад. Рассказывают, что все было так: од-
нажды Галилео Галилей зашел в церковь на богослужение. Правда, верующим
он, видно, был не слишком рьяным — слушая проповедь, он разглядывал
своды собора. И его внимание привлекли огромные, очень красивые люстры,
подвешенные к куполу на длинных цепях. Галилея заинтересовало вовсе не
изящество тонкой кузнечной работы — ученому показалось примечательным то,
как раскачиваются люстры на сквозняке (верхние окна из-за жары были раскрыты).
Все они качались с необъяснимой равномерностью, хотя каждая из них в
своем движении имела собственный период. Когда говорят о колебаниях,
периодом называют время, за которое происходит полное качание колеблющегося
предмета,— например, из правого положения влево, а потом назад, до того
места, откуда мы начали за ним следить. Заметим, что период похож на
длину волны. Разница в том, что здесь измеряют время, а там — расстояние.
И сходство это не только внешнее — за ним кроется серьезный смысл.
Часов у Галилея с собой не было (тех изящных механизмов, которые мы сейчас
называем часами, тогда еще вообще не существовало), но он остроумно
вышел из положения, отмеряя время по ударам собственного сердца. Держа
руку на пульсе и следя за люстрами, он заметил удивительную закономерность:
чем короче цепь, на которой подвешена люстра, тем быстрее эта люстра качается.
Еще более странным показалось ему то, что период, с которым раскачивались
люстры, не зависел от их массивности.
Согласно легенде, вот так, прямо в церкви, Галилей якобы и открыл закон
маятника. Люстры, которые привлекли его внимание, не просто напоминали
маятник — их с полным правом можно назвать маятниками без всяких кавычек,
ибо в физике маятником или, более строго, колебательной системой считается
любой предмет, способный как-нибудь раскачиваться или пульсировать, то есть
совершать колебания. Не будет натяжкой назвать маятником даже наше сердце.
А собственно маятник — сердце любых часов — был изобретен благодаря открытию
Галилея. Только сейчас маятники делают такими, чтобы часы получились
миниатюрными и точными.
26
Попробуем заново открыть законы Галилея. Чтобы повторить его наблюдения,
вовсе незачем раскачивать дома люстры. Сделаем свой собственный маятник.
Подвесим в дверном проеме на длинной нитке какой-нибудь предмет — хотя бы
ластик — и заставим его качаться (сильно, до потолка, раскачивать его не нужно —
все получится гораздо точнее, если размах маятника, то есть его амплитуда,
будет не больше двадцати сантиметров). Для измерения времени подойдут любые
часы с секундной стрелкой, а чтобы определить период поточнее, замерим, сколько
времени потребуется для десяти полных периодов, и поделим это время на десять.
Итак, сделаем длину нитки ровно один метр, запускаем маятник и начинаем
отсчитывать секунды (после того как отпустили маятник, трогать его больше не
нужно). Смотри-ка — одно качание уложилось точно в две секунды. Теперь
укоротим нитку вчетверо, и маятник начнет раскачиваться вдвое чаще — период
уже будет равен одной секунде. Если нитку сделать длиной полметра, период
составит около полутора секунд, а если два метра — то около трех. Итак,
один закон у нас уже есть: чем длиннее маятник, тем больше его период (то есть
период его колебаний). Правда, зависимость тут какая-то странная: длина нитки
меняется вчетверо, а период только вдвое. Может быть, период пропорционален
квадратному корню из длины маятника? Сделав побольше таких опытов,
поточнее измерив время и длину нитки, ты и сам можешь проверить истинность
такого предположения, а как-нибудь потом мы еще вернемся к твоим результатам.
Между прочим, сейчас мы не только установили закон, но еще изобрели
для своего пользования простой и достаточно надежный секундомер. Ведь главная
деталь хронометра, маятник, у нас в руках, а вся остальная начинка любых часов,
будь это шестеренки или транзисторы в электронной схеме,— лишь устройства для
поддержания колебаний и подсчета их количества. Теперь, если как-нибудь пона-
добится точно отмерить небольшой кусочек времени, сделай маятник длиной
25 сантиметров — и он будет верно отсчитывать секунды.
Со знаменитым упрямством маятника сталкиваются все, кто любит качаться на
качелях. Качели, конечно, тоже маятник, раскачивать их можно как угодно,
если хватит смелости и сил, можно взлетать выше перекладины, но вот изменить
их период не удастся никому! Сколько ни старайся, никак не заставишь качели
раскачиваться хоть немного чаще или реже.
И в современных электронных
часах не обойтись без маятника,
только здесь его роль выполняет
маленький кристаллик кварца,
совершающий ритмичные колебания.
Источником энергии для колебаний
такого маятника будет служить уже
не пружина, а крошечная
электрическая батарейка. Место
хрупких шестеренок в таких часах
займет показанная на снимке
микросхема, в которой тысячи
транзисторов размещаются на пластинке
размером в несколько квадратных
миллиметров.
27
ВОЛШЕБНЫЙ
РАЗУМ
А что, если самим открыть и второй закон Галилея? Можно привязать к
нитке еще один ластик — маятник станет вдвое массивнее. Потом можно будет
снова измерить период его колебаний. Но нужно ли делать второй опыт?
В стародавние времена, когда наука еще не называлась наукой, древние
философы проверяли свои представления об окружающем мире с помощью одного
непростого приема, который может пригодиться нам и сейчас. Он требует хорошей
смекалки, но зато обещает иной раз избавить от нужды городить
экспериментальный огород, когда мы хотим открыть или проверить какой-нибудь
закон. Называется этот прием «мысленный опыт» — то есть опыты ставятся в уме,
но их результаты получаются еще достовернее, чем если бы мы увидели
их собственными глазами.
Почему бы нам, прежде чем искать разные грузики, повторять с ними
один и тот же опыт, не поразмыслить: что мы в результате получим? Сначала,
закрыв глаза, представим себе раскачивающийся маятник. Это совсем не трудно,
ведь только что мы видели его в действительности.
А теперь вообразим, что рядом с маятником висит такой же маятник и точно так
же раскачивается,— в этом тоже не будет никакого чуда.
Ничего противозаконного мы не совершим, если еще подумаем, что наши
воображаемые маятники раскачиваются в такт — вместе летят в одну сторону и
вместе в другую. Ведь у совершенно одинаковых маятников должен быть
одинаковый период, поэтому можно уверенно сказать, что ни один из
маятников не обгонит своего соседа.
Приготовься, сейчас будет главный шаг!
Вообразим, что оба маятника соединены между собой тоненькой ниточкой. Ну,
как, вроде ничего не случилось? Да, и в этом случае они все так же вместе летают
взад и вперед. Теперь, осмелев, можно представить себе, что маятники вообще
срослись между собой. И все равно они будут раскачиваться по-прежнему словно
просто подвешены рядом.
Что же изменилось? Да вот что: маятник стал вдвое массивнее, чем был
поначалу, а качается он все с тем же периодом!
Еще немножко повоображаем и получим в уме маятник, который будет
Примерно такие картинки должны
возникать в голове у читателя,
следящего за ходом наших
рассуждений. Постепенно, шаг за шагом,
два воображаемых маятника, ничуть
не нарушая законов логики,
срастаются в единое целое и становятся
одним маятником.
28
тяжелее втрое, впятеро и вообще может иметь любую массу. Выходит, что,
буквально зажмурившись, не пользуясь никаким маятником, мы вывели такой
закон: период колебаний маятника не зависит от его массы. Вот так фокус!
Теперь подумаем, что же сейчас произошло. А произошло такое, что
не доступно ни одному животному, но под силу лишь человеку,— мы провели
отвлеченные, абстрактные рассуждения, и были это не расплывчатые мечтания, а
строгая последовательность мыслей, которая может дать весомый практический
результат. В течение двух с половиной тысячелетий с помощью именно таких
умственных приемов философы древнего мира и средневековья готовили почву, на
которой смогла расцвести современная экспериментальная наука. Ведь и для нее
главный двигатель — не точные приборы, а острая мысль, и на каждый опыт в
металле приходятся десятки опытов в уме. Сейчас ты увидел лишь малую толику
могущества своего разума — и то у тебя есть законные основания для
гордости. Только помни: всеми этими приемами нужно пользоваться очень
осторожно. Стоит ошибиться хоть на одном шаге, поверить в какую-нибудь
мелочь, которая не может существовать на самом деле, и такого навоображаешь...
Впрочем, почти всегда у нас в запасе есть возможность поставить и настоящий
эксперимент. Любую теорию стоит проверить на практике! Вот и сейчас —
чтобы немного отдохнула голова и поработали руки, попробуем получить у нашего
маятника «автограф». Для этого на конце нити нужно подвесить
зажженный электрический фонарик (лучше без рефлектора — тогда изображение
будет порезче), а под ним положить на пол фотоаппарат объективом вверх.
Теперь остается только погасить в комнате свет, открыть затвор на
длительную выдержку (так, чтобы прошло несколько периодов колебаний) и
подтолкнуть маятник немного в сторону. Росчерк движущейся лампочки останется
у тебя на пленке. Делая разную выдержку и по-разному толкая маятник, можно
На рисунке показана примерная
схема опыта, а на левом снимке
(внизу) запечатлен след движения
фонарика, который, постепенно
разворачиваясь, совершил 25 колебаний.
Делая второй снимок (внизу справа),
мы заставили качаться и
основание, на котором лежит
фотоаппарат. Правда, чтобы не
замазать получившиеся изящные
вензеля, пришлось проследить всего
за пятью колебаниями фонарика.
Фотография на предыдущей
странице сделана с экрана
осциллографа: здесь видны следы
колебаний электрического тока в
какой-то сложной цепи.
получить десятки разнообразных узоров. Заставив покачиваться и основание,
на котором закреплена бумага, мы получим еще более изысканные вензеля.
Такие картинки, получающиеся от наложения двух колебательных движений,
называются фигурами Лиссажу. Изгибы этих кривых могут многое рассказать
ученым о характере запечатленных в них колебательных процессов.
29
ЕГО
ВЕЛИЧЕСТВО
ЧИСЛО
Теперь уже никак не обойтись без
формул — самой сути современной
науки. Вот она, наверху,— формула всех
колебаний на свете!
Ее же можно записать и
несколько иначе: период колебания
пропорционален квадратному корню
из инерции, деленной на упругость.
Или: увеличим инерцию — увеличится и
период колебаний, увеличим
упругость — период колебаний
уменьшится. (Помните только, что
зависимость эта не будет линейной,
то есть при увеличении инерции или
упругости в четыре, скажем, раза
период изменится только вдвое.)
У сложных колебательных систем и
формулы для вычисления их
колебаний будут довольно-таки
сложными (они могут даже занимать
целую страницу), однако суть у них
та же, что и у верхней формулы.
А в случае маятника, с которым мы
проделывали опыты, формула как раз
совсем проста:
Период—2 /длины нити.
Две с половиной тысячи лет тому назад, задолго до Галилея, жил в Древней
Греции знаменитый мудрец Пифагор. Занимался он разными науками — и
геометрией, и арифметикой, и философией, но нас интересуют его занятия музыкой.
Люди и тогда уже умели делать различные музыкальные инструменты, знали
множество прекрасных мелодий, хотя понятия не имели, что за сладостное
волшебство кроется в звуках, заставляя слушателей смеяться и плакать. Вопрос
этот им, наверно, и в голову не приходил, а для тех, кто полюбознательнее,
наготове были легенды, прекрасные, поучительные, но не дающие точных ответов.
Пифагор, как сказали бы сегодня ученые, сузил проблему, его заинтересовала
частная задача: почему одни созвучия приятны, а другие режут слух? Ответить
на этот вопрос он так и не смог (люди и по сей день этого толком не знают), но
пришел к очень любопытным выводам. Почти все звуки, которые можно получить,
изменяя у струнного инструмента, например у гитары, длину его звучащей
струны, не гармонируют между собой — одновременно слушать их неприятно. Но те
немногие тона, которые звучат в унисон (то есть, звуча вместе, создают на слух
почти один звук — так, например, звучат одни и те же ноты в разных
октавах), получаются, если укоротить струну ровно в целое число раз. Иначе
говоря, две одинаковых струны звучат совершенно гармонично, в унисон, если одна
из них в два, три, пять раз короче другой. Другие гармоничные созвучия получались,
если соотношение между длинами струн составляло какую-нибудь простую
дробь^—например, 3/2 или 5/4 (их назвали позже «терция» и «квинта»). Звуковой
ряд, построенный по этим законам абсолютного благозвучия, дошел и до наших
дней — он так и называется пифагорейским.
Непонятное, но и неопровержимое соответствие между простыми числами и
музыкальной гармонией, приятными ощущениями и математикой настолько
заворожило Пифагора и его учеников, что они стали поклоняться особому богу —
его величеству Числу. Смешно, конечно. Но тем не менее наша наука со всеми ее
формулами и глубоким пониманием явлений природы зародилась благодаря таким,
во многом наивным представлениям школы Пифагора. А вот убежденность наших
современников, будто абсолютно все явления можно свести к формулам,— пожалуй,
своеобразный отголосок пифагорейской веры в магию чисел.
Так что ж, собственно, общего между открытием Галилея и опытами Пифагора?
И вообще — какое отношение имеют они к нашему разговору о волнах? Ответ мы
узнаем чуть позже, а пока попробуем сами задать несколько вопросов.
Некоторые законы колебаний нам уже знакомы. А можно ли сказать, почему
они именно такие, а не какие-нибудь еще? Не очень вежливо отвечать,
что, мол, закон есть закон и нечего пытаться его объяснить. Хотя иногда, к
сожалению, такой ответ оказывается единственным, в некоторых случаях все-таки
можно проникнуть в глубины еще не понятых природных явлений, и тогда нам
раскроются секретные механизмы, заставляющие природу поступать так, а не иначе.
Для маятников, например, создана целая теория, объясняющая их колебания. По
этой теории в любом маятнике борются два их качества: с одной стороны,
медлительная, тяжеловесная инерция, а с другой — упругая, возвращающая сила.
Чем весомее первое качество, тем медленнее раскачивается маятник. Если
сильнее проявляется второе качество — маятник начнет колебаться чаще.
В маятнике Галилея оба эти качества одинаково связаны с массой грузика
Струну, раз она колеблется, тоже можно считать маятником. Здесь инерция
связана с массой струны, а упругость, или возвращающая сила, зависит от того,
сколь туго струна натянута. При таком взгляде вроде бы все сразу встает на свои
места. Если сделать вдвое больше грузик, подвешенный на нитке, то удвоится сразу
30
и его инерция, и возвращающая сила. Ни одно из качеств не стало перевешивать
другого, так что маятник ведет себя как прежде. А вот если укоротить вдвое
струну, ее масса уменьшится вдвое, соответственно ослабнет и инерция, но натя-
жение останется прежним. Вот струна и начнет колебаться быстрее.
Казалось бы, все ясно! Однако, если ты достаточно упрям, то сможешь задать
еще хоть тысячу вопросов. Скажем, такой: почему масса грузика влияет на оба
противоборствующих качества одинаково? И еще: почему уху приятнее слушать
звуки, когда частота их колебаний различается именно в два или три раза?
В самом деле — почему? И тут вдруг оказывается, что оба эти вопроса уводят
исследователей в самые глубины наук о веществе или о человеке. И оба они
пока еще не имеют ответа. Что поделаешь! Такова уж печальная судьба
научных теорий: чем больше удается с их помощью объяснить, тем больше новых
вопросов они порождают, пока не столкнутся, наконец, с таким, справиться с
которым им еще не под силу. Здесь-то и требуется ученому настоящее мужество,
чтобы не робеть перед вопросами, на которые нет пока ответов; не пытаться
придумывать ложные объяснения, когда не известны истинные причины;
всегда надеяться, что и следующий шаг будет сделан — если не им самим,
то тем, кто придет после него, кто поймет, в чем была ошибка.
64,5 см
32,25 см
21,5 см
Современная гитара по
конструкции не слишком сильно
отличается от кифары — инструмента,
на котором играли древние греки.
Если взять на одной струне три
самые созвучные между собой ноты
(например, «до», потом еще одно «до»
на октаву выше, а затем «соль» на той
же октаве) и в каждом случае
измерить линейкой длину свободного
участка струны, получится, что
струна ровно вдвое и втрое короче,
чем в первом случае Иначе говоря,
соотношение длин будет 1:1/2:1/3.
Рисунок на этой странице слева тоже
представляет собой «портрет» колебаний,
но уже таких сложных, что их едва ли
получишь с помощью обычного
маятника. Рассчитала и построила эту
картинку электронная вычислительная
машина. Иными словами — машина
проделала «в уме» такой опыт, который
сложно (а то и невозможно) осуществить!
31
ПОДЗЕМНЫЕ
ВОЛНЫ
А. Волна бежит по цепочке маятников. Здесь, как и в случае
с морской волной, маятники в конце концов останутся на прежнем
месте, так что и эта волна являет собой только путешествующую
форму, не способную унести ни единой материальной частицы.
Б. Если избавить маятники от нитей (пусть, к примеру, грузики
лежат на очень скользкой поверхности), все равно ничего не
изменится — они точно так же будут упруго передавать
полученное возбуждение, толчок, а сами останутся на месте.
В. Здесь нет уже и пружинок между маятниками, зато они
плотно прижаты друг к другу, так что толчок будут передавать
за счет собственной упругости. Таким образом получится
монолит, или твердое тело, внутри которого бежит упругая
волна.
в
Теперь еще один очень важный шаг. Допустим,
много-много маятников подвешено в ряд, причем все
соседние маятники связаны между собой
пружинками. Толкнем крайний из них. Он разок
качнется и остановится, потому что передаст
через пружинку всю свою энергию следующему за
ним маятнику, который тоже качнется только один
раз и подтолкнет третий маятник... Так и пройдет
это раскачивание вдоль цепочки. Разве это не
напоминает что-то уже знакомое? Точно, по сути
дела именно так распространяется и волна на
поверхности воды. Только волна, идущая вдоль
цепочки маятников, называется упругой волной.
Еще лучше она будет бежать внутри какого-нибудь
монолитного предмета — куска металла, скалы или...
...Или вокруг всей Земли, но только глубоко
в ее недрах. Это и будут те сейсмические волны,
которые упоминались в главе о цунами. Волны
эти все время бегут под землей — не слышишь,
как она дрожит у тебя под ногами? Правда, вряд
ли их можно почувствовать, если только дело не
дошло до настоящего землетрясения. Обычно же
размах сейсмических колебаний совсем мал, и для
того, чтобы их заметить, нужно строить очень
сложные приборы — сейсмографы. Приборы эти столь
чувствительны, что, если их поставить в обычном
помещении, они будут откликаться на шаги
пешеходов, идущих по соседним улицам. Только в
наглухо закрытых подвалах, в глубоких шахтах с
помощью этих приборов можно расслышать
вести из самых дальних уголков Земли.
Вот дернулась стрелка, самописец сделал своим
пером загогулину на бумажной ленте — и если
знающий человек потом прочтет эту запись,
расшифрует все, что прочертило автоматическое
перо, он уверенно скажет, где произошло
землетрясение, и даже оценит его силу. Если же
место землетрясения окажется где-нибудь в
океане, то во все города и поселки на его берегах
полетят срочные телеграммы: «Берегитесь, идет
цунами!» Об этой смертоносной волне узнают почти
сразу же после того, как она зародилась.
Стремительно мчится цунами — ее скорость
700 км/час, но сейсмическая волна еще быстрее —
тысячи километров она покрывает за считанные
минуты, так что люди на побережье имеют в запасе
час-другой до прихода «большой волны» — вполне
достаточно, чтобы спастись, уехав подальше
от берега. Ради этого круглые сутки несут свою
благородную службу сейсмометрические станции.
С помощью сейсмографа можно узнать не только
про землетрясения. Вот, например, существуют
международные договоры о запрещении ядерных
испытаний. Заключены они уже давно, но как можно
проверить, действительно ли все выполняют их
условия? Сейсмограф способен записать сотрясения
земли, добежавшие от взрыва, так* что сейчас не
только взорвать ядерную бомбу, но даже и ракету
нельзя запустить, чтобы это не было замечено на
сейсмометрических станциях во всех уголках света.
Полезен сейсмограф и в геологии. Когда он
берется за работу, геологам не приходится бурить
глубокие шахты только для того, чтобы разведать
полезные ископаемые. Иной раз достаточно
прослушать землю, как это делает врач, когда
прослушивает грудную клетку больного. Землю,
конечно, не удастся простучать врачебным
молоточком, но если взорвать в неглубоком колодце
динамитный заряд, то стоящий неподалеку
передвижной геологический сейсмограф, записав,
как изменилась волна по дороге от места взрыва,
сообщит, какие пласты залегают в этих местах и
на какой глубине. Точно так же геологи
прослушивают теперь землю там,
где собираются строить плотины или большие
заводы, чтобы строители не поставили «дом на
песке». Впрочем, эта пословица здесь только для
красного словца: на самом деле песок — не худшее
основание для любой постройки, но бывали ситуации
действительно неприятные, когда строительство
приходилось остановить из-за того, что грунт
оказывался слишком слабым.
Прослушивать таким образом можно не только
землю. В магазине, где продают фарфоровую
посуду, продавщица, прежде чем упаковать
купленные тарелки или чашки, обязательно слегка
стукнет по каждой из них и послушает, как она
звенит. И если в тарелке есть скрытая трещина,
звук будет неприятным, дребезжащим. Опытный
специалист может по звуку не только трещину
обнаружить, но и оценить качество фарфора.
Так можно проверять не одни только блюдца и
тарелки. На заводах этим способом испытывают
самые разные детали, особенно если они отлиты
целиком и нельзя посмотреть, какие они внутри.
Прослушивают их, конечно, не ушами, а особыми
приборами, которые по принципу действия похожи
на те же сейсмографы.
Об использовании сейсмических волн говорится и в сказках,
и в старинных приключенческих романах. Герои, скрываясь от
погони, всегда прикладывали ухо к земле, чтобы услышать
конский топот,— ведь преследователи, конечно, скакали тогда
верхом. Метод действительно надежный: в земле такие звуки
распространяются лучше, чем в воздухе. Современные приборы
позволяют таким образом за десятки километров расслышать и,
более того, распознать шум автомобиля, даже шаги человека.
Основная деталь сейсмографа (на фото внизу он показан
в разрезе) — увесистый маятник, подвешенный на очень мягких,
податливых пружинах. Если колебания земли шевельнут основание
прибора, то сам маятник будет еще некоторое время оставаться
в покое, лишь изменится напряжение в электронной схеме и
чувствительные усилители заставят шевельнуться перо самописца.
На рисунке показано, как сейсмологи «простукивают» землю.
Строение подземного царства очень сложно, волны частично
отражаются от нескольких разных пластов, поэтому записи,
полученные сейсмографом, нужно расшифровывать с помощью
электронных вычислительных машин.
ОХОТА
ЗА НЕВИДИМКОЙ
Колебаться могут практически все предметы.
Только амплитуда этих колебаний настолько мала
(порядка сотых долей миллиметра), что простым
глазом их не заметишь. Однако немецкому физику
Хладни, жившему в конце XVIII века, смекалка
помогла обойтись без точных оптических приборов.
Он рассуждал так: пусть нам не дано рассмотреть
сами колебания, но, может быть, об этих невидимках
расскажет какое-нибудь другое явление.
Попробуем повторить опыт Хладни.
Надо зажать в горизонтальном положении
(с помощью тисков или струбцины) металлическую
пластинку величиной с ладонь. Если провести по
ней напильником, дребезжать она будет так, что
На фот внизу — первое в мире звукозаписывающее
устройство. До чего простым кажется оно нам!
▲ вот слесарь, сделавший первый образец фонографа,
так и не понял его назначения и все только диву давался:
зачем это мистеру Эдисону понадобилась такая странная
машинка!
Сетка из мелких бороздок на современной грампластинке
заметна и невооруженным глазом, но при увеличении в десять
раз лучше видны особенности записи. К примеру, там, где
бороздки прямые, без извилин, звук вообще не записан, а чем
громче оркестровый аккорд, тем размашистей зигзаги бороздки.
34
хоть уши затыкай. Значит, она колеблется. Теперь
следует посыпать ее мелким песочком. Если
снова чем-нибудь провести по краю пластинки,
песок, словно по волшебству, сам уложится
затейливыми узорами. Проведешь напильником по
другому краю, узоры, как в калейдоскопе,
изменятся. Фигуры эти получили имя их
первооткрывателя — Хладни. Они отражают форму
колебаний самой пластинки: песок стряхивается с
сильно колеблющихся участков поверхности туда,
где колебания меньше. Таким образом, на пластинке
вырисовываются узловые линии — те места,
которые во время колебаний всей пластинки остаются
неподвижными.
Колебания, которые стали видны благодаря
песочным разводам,— это интересный
промежуточный случай между колебаниями маятника
в идущих, но никуда не уходящих часах и
колебаниями частиц в непоседливой, вечно куда-то
стремящейся волне. Здесь волна заперта в границах
небольшой пластинки. Она называется стоячей.
Ее горбы и впадины быстро сменяют друг друга, но
сама она никуда не движется.
Но почему пластинка, на которой мы получали
фигуры Хладни, так отчаянно дребезжит? Почему
мы слышим те колебания, которые даже глазом
нельзя рассмотреть? Оказывается, колеблющийся
предмет передает свои колебания воздуху,
который его окружает. Так что звук, который
слышат наши уши,— это тоже упругие волны,
разбегающиеся в воздухе от колеблющихся
предметов.
Американский изобретатель Томас Эдисон уже
знал о связи между звуковыми волнами в воздухе
и колебаниями твердых предметов. Это помогло
ему больше ста лет назад сконструировать
остроумную машинку, которая в несколько
измененном виде есть сейчас почти в каждом доме.
Это фонограф, который впоследствии, несколько
изменив конструкцию, назвали граммофоном, а в
наши дни — электропроигрывателем.
В устройстве Эдисона стальная игла скользила
по неровной царапине на оловянной поверхности
крутящегося валика. Колебания от неровностей
этой царапины передавались через иглу на
металлическую пластину (мембрану), которая
излучала колебания в воздух. Если зигзаги
царапины повторяли колебания воздуха, созданные,
например, голосом человека перед рупором, то
фонограф мог не один раз воспроизводить давно
отзвучавшие слова. Запись звука осуществлялась с
помощью того же устройства — та же игла
переводила колебания мембраны, «слушающей»
звуки, в царапину на олове. Позже звук стали
записывать на более податливом материале — на
валике из воска, звук стал чище и громче, хотя такая
запись оказалась менее долговечной. Сейчас
перевод звука на грампластинку превратился в
сложный многоступенчатый процесс, но сама
пластинка, как и валик фонографа, несет на своей
поверхности сотни канавок, неровности которых
хранят память о колебаниях воздуха, происходивших
когда-то на студии звукозаписи.
Герой давнего фантастического романа спасся от гибели,
случайно стряхнув пепел сигареты на пол каюты в космическом
корабле (автор романа почему-то считал, что космонавты будут
курить),— пепел образовал на всех поверхностях фигуры Хладни,
которые говорили о незаметных вибрациях, охвативших корабль.
(Вибрациями в технике называют упругие колебания в твердых
телах.) Впрочем, с помощью фигур Хладни вибрации
анализируют и в жизни — этим способом часто исследуют детали
машин, подверженных большим вибрационным нагрузкам.
На фотографии — классическая фигура Хладни, полученная
на эллипсообразной металлической пластинке. Однако исследовать
колебания деталей сложной формы с помощью песка или
пепла вовсе не удастся. Другое дело, если осветить ту же
деталь лучом лазера (о нем будет рассказано позже). На
странице 59 есть фотография, сделанная в лазерном свете:
распределение колебаний на лопастях корабельного винта.
Опытный глаз сразу отметит область, где имеется дефект.
35
ТЕХНИКА
БЕЗ НАУКИ
Люди издавна умели создавать разные сложные
устройства, хотя довольно смутно представляли себе
законы природы. Вот хотя бы музыкальные
инструменты, сработанные старыми мастерами,—
теплый, одушевленный голос, скрывающийся в
потемневших от времени скрипках, изумляет и
современного искушенного ценителя. Зачем же тогда
учиться, исследовать природу, если и без науки
можно отлично делать свое дело?
В самом деле, скрипки из мастерской Антонио
Страдивари, знаменитого итальянского мастера
семнадцатого века, до сих пор почти не имеют
себе равных. Но мало кто задумывается, какой
ценой все это досталось. Вслепую, совершая
множество ошибок и тратя десятилетия попусту,
целые поколения мастеров искали для своих
инструментов наилучшую форму, нащупывали более
удобные приемы работы. Каждый лишь немного
усовершенствовал то, что было сделано его
предшественниками. Хороший инженер, пользуясь
опытом, который собран для него учеными, за
несколько лет может пройти путь, стоивший раньше
вековых блужданий.
Эта же закономерность хорошо видна и на
примере кораблестроения. Для рождения красавца
клипера, венца парусного флота, потребовались
многие сотни лет. За все это время неповоротливые,
медлительные галионы и фрегаты почти не
изменялись — ведь корабелы, не зная по-настоящему
законов, которым подчиняются и волна, и корабль на
этой волне, не решались вносить в конструкцию
слишком дерзкие изменения.
Но если говорить не о постепенном
совершенствовании, а о создании чего-то нового,
то здесь без знаний вовсе не обойтись. Причем не
просто знаний, но глубокого понимания того,
как ведет себя природа, тех знаний, которые и
называются теперь наукой. В самом деле, ведь
фонограф Эдисона до того простое устройство,
что его мог бы сделать и хороший средневековый
слесарь, и даже кузнец, живший в Древнем Риме.
Но вот изобретено это устройство было лишь после
того, как люди получили более или менее ясное
представление о законах, которым подчиняются
звуковые волны.
Вернемся, однако, к разговору о волнах.
Обрати внимание: ты и сам, как люди делали много
веков подряд, привычно пользуешься многими
36
законами распространения звука, еще ничего о них
не зная. Ты прикладываешь к губам ладони,
чтобы голос было слышно как можно дальше, а
знаешь ли, что таким образом ты строишь
простейший рупор — тот самый рупор, который
люди сотни лет использовали в морском деле и в
военных сражениях.
Обычно звук расходится от своего источника
во все стороны, и чем дальше он уходит, тем по
большему пространству растекается его энергия.
До слушателя дойдет лишь ничтожная часть тех волн,
которые мы создаем силой наших легких. Если
же использовать рупор, звук будет ограничен
только одним, нужным направлением и, пройдя путь
до слушателя, все же сохранит гораздо большую
долю начальной громкости. Действие рупора во
многом напоминает работу фокусирующего
устройства в карманном фонарике. Если отвинтить у
фонарика отражатель, сразу покажется, что лампочка
стала светить намного слабее. Сейчас для усиления
звука привыкли использовать электронные устройства,
и старомодный рупор начинает забываться,
а ведь совсем недавно это простое
устройство можно было увидеть и на капитанском
мостике, и на лодочной станции, и на стадионе.
В корабельных переговорных устройствах звук
вообще загоняют в узкую трубу, чтобы его энергия
не утекала зря в окружающее пространство. На
больших кораблях капитан мог быстро отдавать
приказы и в машинное отделение, и в кубрик
благодаря тому, что корабельные помещения были
соединены трубами наподобие водопроводных.
Только вместо кранов на концах этих труб были
пристроены свистки. Захотел капитан поговорить
с механиком — дунул в своей конец трубы, и в
машинном отделении раздастся звонкая трель.
Механик, вынув свисток из трубы, приложит к ней
ухо и услышит капитана, как бы ни грохотала
работающая в это время судовая машина. В наши
дни — правда, на всех кораблях эта остроумная
система заменена обычными телефонами — они
преобразуют звук в электрический ток, который
и путешествует по проводам, отведенным во все
помещения корабля. Замена труб проводами не
изменила основного принципа. Ведь электрический
ток, идущий по проводам, подчиняется почти тем же
законам, что и воздушные волны в пустотелой
трубе, но об этом позже...
Струнные музыкальные инструменты разных эпох на
удивление мало различаются между собой. С веками немного
менялась форма, но изменения эти делались не столько ради
звука, сколько в угоду моде. Так, изящные плечики у современной
скрипки — лишь отголосок зарождавшегося в XVI веке стиля
барокко. Истинное развитие музыкальных инструментов, то, что
обогащает звук, что дает новые возможности исполнителю, шло
исключительно медленно. Скрипки на фото — XVII—XVIII веков,
а велико ли их отличие от современных!
Еще один пример слепых блужданий человеческой мысли.
Парус на носу (тот, что с дырой) называли прежде
«блинд». Целые тысячелетия корабли обходились без него,
но потом кто-то попробовал приладить его здесь — и ход у
корабля стал намного лучше. Казалось бы, удача! Нет, через
столетия он исчез из оснащения кораблей — выяснилось, что он
не очень удобен, расположен слишком низко над водой, так что
его нередко срывали высокие волны. Потом его опять приладили,
подняв повыше (он стал называться «бом блинд»), но и здесь
он себя не оправдал. Лишь намного позже его место занял
очень простой кливер, который дожил и до наших дней.
37
ЗВУКОВАЯ
ЛЕСЕНКА
Вот уже и зашла речь о волнах, которых не видно, но слышно,— звуковых.
Правда, и услышать можно не всякий звук. Человеческому уху доступна лишь
малая доля всех звуковых колебаний, существующих в природе. Звук должен
быть не слишком тихий и не слишком громкий, не слишком высокий и не слишком
низкий, и у каждого человека понятия об этом свои. Так, например, летним
днем в поле одних людей оглушает стрекотание кузнечиков, а для других там
стоит почти полная тишина. Объясняется это просто: границы слышимости у всех
людей несколько разные, поэтому кто-то слышит хор кузнечиков вполне отчетливо,
а для иных ушей их голоса лежат далеко за пределами доступного.
«Официально» к слышимому звуку причислены колебания с частотой от
16 до 20 000 герц (герц — это одно колебание в секунду). Если взять для сравнения
звуки, которые издает рояль, то нижняя граница нашего слуха будет чуть ниже
звучания самой басовой клавиши, а верхняя — намного выше самой высокой.
Звуки с частотой ниже 16 герц — это инфразвук, а те, что выше 20 000 герц,
названы ультразвуком. (Латинские приставки «инфра» и «ультра» сами говорят
об этом. Они означают «ниже» и «выше».) Эти неслышимые звуки заслуживают
особого разговора.
О существовании сверхнизких звуков догадывались уже давно, но никакого
технического применения им не нашли, так что вспомнили о них только в
последние десятилетия, когда ученые стали больше интересоваться не техникой, а
самим человеком. И тут оказалось, что люди хоть и не слышат этих звуков,
но каким-то образом все-таки могут их воспринимать. Ощущения при этом
бывают разными, но они всегда неприятны или, по крайней мере, тревожны.
Однажды шведский кинорежиссер Ингмар Бергман поставил на своих зрителях
интересный, хоть и немного жестокий опыт. В обычном кинотеатре на нескольких
сеансах показывали снятый им короткометражный фильм: минут десять на экране
маленькая девочка, напевая какую-то песенку, собирала цветы. На первом сеансе
фильм шел под обычную музыку, но на следующих к ней добавили еще и
инфразвук. Когда зрителей впоследствии попросили поделиться впечатлениями,
то люди, побывавшие на первом сеансе, говорили кто о светлом, радостном
ощущении, а кто — о чувстве скуки. Зато зрители, которые смотрели фильм с
инфразвуковым сопровождением, поражались искусству режиссера: отчего самые
Е
38
обычные кадры вызывали столь сильное ощущение тревоги? Когда же на очередном
сеансе уровень инфразвука сделали побольше, результат был просто невероятным:
зрители в панике разбежались из кинозала.
В чем же дело? Достоверного ответа пока нет, существует лишь одно
интересное предположение. Замечено, что в природе инфразвук возникает почти
всегда при каких-то опасных или катастрофических событиях. Его порождают
сильные ветры, землетрясения, лесные пожары. Так, может быть, за много
тысячелетий естественный отбор научил людей и животных как-то различать этот
сигнал тревоги? При смертельной опасности чувство страха действеннее, чем
любые другие ощущения. Только оно может заставить и животных, и людей без
всяких колебаний бежать от неизвестной опасности. Эту гипотезу подтверждают
случаи, когда животные благодаря намного более острому, чем у человека, чутью
предупреждали о надвигающейся катастрофе. Да и тот, кто хотя бы с берега
любовался сильным штормом, помнит, возможно, охватывающее человека
смутное чувство — смесь восторга и тревоги.
Использовать инфразвук люди пока что не научились. Правда, кто-то
предлагал, например, сделать инфразвуковое оружие, сеющее панику среди
солдат противника — чтобы все они с перепугу разбежались. Но поскольку
инфразвук проникает куда угодно, неясно, куда прятаться «своим» от такой жуткой
музыки. Неизвестно, можно ли с пользой применить инфразвук, избавиться же от
вредного воздействия на организм людей — задача весьма насущная.
Многие из машин и промышленных установок, оказывается, излучают сильные
инфразвуковые колебания. Особенно опасно, когда инфразвук возникает при работе
автомобильного или самолетного двигателя. Водитель или пилот из-за этого
быстро устает, его охватывает беспокойство, а раз так — недалеко и до
катастрофы. Не лучше, если инфразвук излучают работающие станки,— тогда резко
падает производительность труда, и не только у тех, кто работает на этих
станках, но и у всех, кто находится неподалеку. Ничего хорошего не будет, если
обычная вентиляционная система жилого дома шумит в инфразвуковом диапазоне,—
жильцы станут раздражительнее, будут чаще болеть. Чтобы защититься от этих
напастей, ученые создали особые инфразвуковые микрофоны, и без проверки на
инфразвуковое излучение никакие машины не получают пропуска в производство.
1000	5000	10000 герцы
Частота колебаний говорит о них самих
почти то же самое, что и период.
Если, например, период колебаний
составляет одну сотую долю секунды,
то есть на одну секунду происходит сто
колебаний, удобнее сказать:
частота колебаний — 100 герц.
Герцы и килогерцы (то есть тысячи
герц) — слова, прижившиеся в
обиходном разговоре современного
человека. Еще бы, ведь в них
выражаются важные характеристики
звуковой аппаратуры, которую сейчас
можно найти в любом доме. На
первой странице паспорта к любому
магнитофону, проигрывателю или
радиоприемнику указывается полоса
частот, то есть диапазон звуков,
которые он способен воспроизвести.
Итак, посмотрим, какие ступеньки на
лесенке звуковых частот (ведь слово
«шкала» и означает «лесенка»)
занимают привычные нам источники
звука. Буквой Е здесь обозначена
полоса всех звуковых частот,
слышимых человеческим ухом, буквой
▲ — диапазон обычного
человеческого голоса. Голоса
музыкальных инструментов на шкале
занимают чуть более широкую
полосу — она обозначена буквой D.
▲ теперь разберемся, на что способна
привычная нам техника,
воспроизводящая звук.
ТЕЛЕФОН. Мало кому придет в
голову слушать с его помощью
симфоническую музыку, а для того
чтобы разобрать слова, достаточно
полосы от 200 до 3000 герц, а то
и поменьше (она помечена на шкале
буквой В). Конечно, «телефонный
голос» звучит глуховато, не очень
выразительно, но главное здесь —
понять собеседника.
ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЕМНИК. Его
корпус мал, чтобы можно было
добиться полноценного звучания, но
все же весь диапазон голоса и
музыкальные звуки он может
воспроизвести. Еще бы — у хорошего
приемника «частотка» от 100 до
10 000 герц (на шкале — полоса С).
Все же звук его, как говорят
ценители музыки, бедноват: нет в
нем естественности настоящего
звучания музыкальных
инструментов. Поэтому для
воссоздания музыки во
всей ее полноте и богатстве есть
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ
ЗВУКОАППАРАТУРА, помеченная
обычно значком HiFi, гарантирующим
«высокую достоверность». В ней
все направлено к этой цели:
и сложные электронные схемы, и
огромные звуковые колонки, и
проигрыватели, напоминающие с виду
лабораторные установки. Полосу
частот здесь делают порой даже шире,
чем полоса слышимых звуков —
например, от 15 до 50 000 герц, но зато
звучит и музыка и речь так хорошо,
что их иногда не отличишь от настоящих.
39
ЗВУК
ЗА РАБОТОЙ
К ультразвуку люди совершенно глухи, а вот многие животные отлично его
слышат. Если сделать ультразвуковой свисток (устроен он не сложнее, чем обычный),
с его помощью можно будет подавать команды своей собаке, причем
никто, кроме нее (и, разумеется, других собак), этих сигналов не услышит.
Еще интереснее другая способность, которой обладают некоторые животные,
например летучие мыши или дельфины. Охотясь в полной темноте, они
используют свои природные ультразвуковые устройства, заменяя ими зрение. Они
непрерывно попискивают и, чутко слушая эхо, то есть звук, отразившийся от
окружающих предметов, уверенно находят добычу.
В восемнадцатом веке была высказана смелая догадка, что для ориентации
в пространстве летучие мыши пользуются слухом. Доказать это удалось с помощью
остроумных и убедительных опытов. Несколько летучих мышей запустили в
совершенно темную комнату, поперек которой в разных направлениях были
натянуты тонкие нити с подвешенными к ним колокольчиками. Птице было бы
трудно летать в таком лабиринте даже при дневном свете, а летучие мыши
как ни в чем не бывало охотились за мошками, да так, что не звякнул ни один
колокольчик. Исследователи пытались ослепить мышей, закрывая им глаза особыми
«очками»,— колокольчики молчали. Надевали им на голову колпачки из плотной
ткани (кое-кто предполагал, что мыши на лету ощупывают дорогу своими тонкими
усиками) — все равно в комнате царила тишина. И лишь когда летучим мышам
залепили уши воском, колокольчики разом зазвонили: мыши летали по комнате,
совершенно не замечая натянутых нитей...
Полтора столетия спустя, когда люди научились делать ультразвуковые
микрофоны, старая догадка о том, почему летучие мыши видят в темноте,
подтвердилась. Услышанные с помощью приборов попискивания оказались на
удивление громкими — по своей энергии они сравнимы с шумом в поезде
метрополитена. Здесь возникает естественный вопрос: почему мышам полюбился
именно ультразвук? Можно, конечно, сказать, что басом пищать они просто не

«Портрет» летучей мыши. Ее огромные уши (по сравнению,
конечно, с крохотной головкой — ведь вся мышь размером с
кулак) — это своего рода рупоры, позволяющие улавливать
самые слабые отзвуки собственного писка.
Многие сотни лет моряки измеряли глубину лотом — простым
устройством из груза и длинной веревки. Груз бросали за
борт, ждали, пока он не коснется дна, а глубину
определяли по меткам на веревке. Современный лот (он
называется «эхолот») делает все это с помощью ультразвука и
точнее, и быстрее. Рабочие детали эхолота — приемник и
излучатель — закреплены на днище корабля, а сам прибор
находится прямо в капитанской рубке и непрерывно чертит
на бумажной ленте неровности морского дна под кораблем.
На первый взгляд его запись может показаться
неопрятной, неточной. Но эхолот винить незачем. В некоторых
местах линия дна получилась размазанной: тут дно илистое и
звук частично проходил дальше вглубь, вот и прорисовались
лежащие под илом более плотные слои. А размытое пятно
между поверхностью океана и дном тоже появилось неспроста:
эхолот почувствовал проплывающую под кораблем стаю рыб.
40
умеют, однако природа обычно руководствуется более вескими причинами. Если
сделать подсчеты, увидим, что слышимый звук распространяется волнами с
длиной порядка метра. Такая волна почти не отразится от мошки размером в
миллиметр. А у звука с частотой более 30 килогерц волны уже короче сантиметра
и для них мошка будет заметным препятствием. Есть у ультразвука и другое
преимущество — его легче, чем обычный звук, сфокусировать узким лучиком,
как свет от карманного фонарика.
Свойства ультразвука, которые так пригодились летучим мышам, делают его
хорошим помощником и для человека. По тому же принципу, что и у летучих
мышей, например, построены эхолокаторы, которые используют для того, чтобы
видеть в морских глубинах. Более того, ультразвук освоил даже профессию
слесаря — и здесь ему помогает способность фокусироваться в тонкий лучик.
Помнишь забавы с увеличительным стеклом? Линза, собирая обычный, почти Не
греющий свет в одну точку, заставляет гореть дерево или пластмассу. Если
же ультразвук, который и услышать-то нельзя, с помощью особых устройств,
правда, ничуть не похожих на линзы сфокусировать в одну точку, энергия
этого ультразвукового сверла будет столь велика, что оно даже в металле сможет
проделать крохотные аккуратные дырки. И таланты свои ультразвук проявляет
почти на каждом заводе: тут бутылки моет, там металл от ржавчины очищает
или готовые детали красит — причем лучше любой щетки или кисточки.
Если направить ультразвуковой луч на сосуд, в который налиты разные
жидкости, он за минуту перемешает их так, как вручную не сделать и за неделю
Стали ультразвуком пользоваться и химики — чтобы смешивать реактивы делать
краски. Но тут заметили еще одно его достоинство: после ультразвукового
перемешивания в жидкости не остается ни одного микроба — не могут они
выдержать ультразвуковых вибраций. Так что пригодился ультразвук и биологам, и
врачам — кто лучше его может продезинфицировать воду, обойдясь без кипячения
или каких-нибудь веществ, которые убивают микробов?
41
«СЛЕДЫ
НЕВИДАННЫХ
ЗВЕРЕЙ»
Вот один из самых «болтливых» обитателей водных глубин—
косатка-скрипун, речной родственник шумливых морских сомиков.
Правда, говорить о голосе морских крикунов не совсем
правильно. В основном они не поют (голоса на самом деле у
них обычно нет), а шумят — кто клешнями, кто
щелкает особыми мышцами по своему плавательному пузырю.
В общем, кто во что горазд.
Интересное дело: после рассказа о волнах в
твердом теле — в толще Земли, о звуке в воздухе
речь незаметно зашла о том, как ультразвук, то
есть упругие волны, работает в воде. Выходит,
в воде существуют не только те волны, о которых
говорилось в начале книги, но и звуковые
колебания — совсем как в воздухе.
Мнение о безмолвии, царящем в морских глубинах,
родилось из-за того, что звук не очень охотно
выходит из воды в воздух. И еще: наши уши не
приспособлены к тому, чтобы хорошо слышать под
водой. Впрочем, чуткое «подводное ухо» каждый
может сделать сам. Надо взять обычную
резиновую грушу и присоединить к ней длинную
резиновую трубку. Теперь, если опустить грушу
в воду, а конец трубки приложить к уху, станет
ясно, какой разноголосый шум стоит под водой.
Кстати, океанологи пользуются очень похожими
«подводными ушами» и называют их гидрофонами.
Если вслушаться в голос моря, можно будет
разобрать и гул отдаленного шторма, и рокот
проходящих где-то пароходов, и даже... разговоры
морских обитателей. А многие из них,
вопреки распространенному мнению, страшно
болтливы. Одни, как и летучие мыши, используют
свой голос, чтобы лучше ориентироваться в
глубинном мраке, другие «переговариваются» друг с
другом, а иные, кажется, шумят просто так, радуясь
жизни.
Есть в океане не очень большая рыбка — морской
сомик, но голос у нее громче, чем у иного
глубоководного гиганта. Когда сомики
собираются в стаю и хором начинают свой «концерт»,
больше всего напоминающий лягушачье кваканье,
поднимается такой шум, что от него, бывало,
срабатывали взрыватели подводных мин, настроенные
на звук винтов парохода. Не меньшие любители
пошуметь — некоторые виды морских креветок. Эта
мелюзга, щелкая в большой компании клешнями,
не уступит и оркестру сомиков.
Исследователь, прослушивающий глубины океана,
напоминает неопытного горожанина который
оказался ночью в джунглях. Рассказывают, что
однажды океанологу по имени Барни удалось
записать на магнитофон зычный голос какого-то
существа, однако что это за зверь (его назвали
«зверем Барни») — до сих пор загадка
Лучше всех звуковой мир океана знают
моряки-подводники. На глубине, куда не доходит
свет, где невозможна радиосвязь, слух —
единственное, что позволяет подводной лодке найти
правильный курс и обнаружить вражеский корабль.
Не зря специалист-«слухач» — акустик — на
подводной лодке в таком почете.
А недавно обнаружили в морской пучине звуковое
чудо. Оказалось, что во всех океанах на глубине
в несколько сотен метров есть особый слой, в
котором звук распространяется, не выходя за его
границы, как в переговорной трубе. Если еще
учесть, что в воде звук слабеет, или затухает,
намного медленнее, чем в воздухе (на суше даже за
десять километров не всегда можно расслышать
звук пушечного выстрела, а в воде звук от взрыва
ма зенького динамитного заряда разбегается
на сотни километров), станет понятно, что в
звукопроводящем слое можно услышать голоса со
всех концов Мирового океана. Узнав об этом чуде
природы, люди задумались, как бы использовать
его для передачи сообщений, сделать из него
что-то вроде телефона.
Однако есть, кажется, основания полагать,
что этим природным телефоном уже давно
пользуются... кашалоты. Эти переростки в семье
матери-природы отличаются от других обитателей
океана не только размерами, но и склонностью
к очень далеким прогулкам, при которых навещают
самые глухие уголки Мирового океана. Кроме того,
только киты, живя практически все время на
поверхности океана, могут нырять в глубину на
целый километр. Таким образом, зная о подводном
звукопроводящем слое, мы наконец можем
вразумительно объяснить еще одну тайну — как в
огромном Мировом океане киты находят друг друга.
А они ведь не просто случайно встречаются друг с
другом на океанских перепутьях, но, похоже, подолгу
берегут семейные узы, да и не чуждаются
простой доброй дружбы, которую трудно было бы
сохранить на таких необъятных просторах, не будь у
них своего «телефона» или «почты».
К сожалению, это пока только гипотеза,
предположение. Даже согласившись, что морские
бродяги временами решают поболтать друг с
другом, мы еще не можем объяснить, как они
сговариваются, чтобы одновременно зайти в
«телефонную будку»,— ведь для этого нужно
нырнуть под воду почти на целый километр.
Глубоководный звукопроводящий слой ученые называют «слой
СОФАР». Скоро он будет служить и людям. К примеру, гул,
приходящий по нему от далеких землетрясений, позволит —
вместе с данными сейсмических станций — точнее предупреждать
жителей побережья о приближении цунами.
Еще древние греки знали, что китообразные, в отличие от
рыб, обладают самым настоящим голосом. Позже это было
накрепко забыто, но сейчас голоса китов и, если так можно
сказать, их язык достаточно хорошо изучены. Киты могут
издавать ультразвуковые попискивания, которые служат, как и у
летучих мышей, для эхолокации. Но кроме того, киты в общении
между собой пользуются звуками слышимого диапазона. На
записях, сделанных с помощью гидрофонов, можно
разобрать отчетливые и весьма неожиданные «высказывания» —
звуки, напоминающие мяуканье, лай, мычание и даже скрежет.
Разнообразие звуков в китовых «разговорах» многих
исследователей наводит на мысль, что киты и в самом деле
обладают своим развитым языком.
__________________________________________________________1
43
ТИШЕ ЕДЕШЬ —
ДАЛЬШЕ БУДЕШЬ
Колокольчик виден, да не слышен: под стеклянным колпаком
самый лучший в мире звукоизолятор — пустота.
Говоря о звуке, распространяющемся в веществе,
мы до сих пор с радостью отмечали, как легко это
у него получается, засчитывали ему в заслуги
все новые и новые подвиги, которые он может
совершать на своем пути. Правда, эта радужная
картина слегка поблекла, когда речь зашла об
инфразвуке, от которого, пожалуй, больше вреда,
чем пользы. Но и слышимый звук далеко не всегда
бывает послушным рабом человека.
С тех пор как люди начали создавать
механизмы, в любой новой машине их, как правило,
интересовали производительность, скорость,
мощность, иногда, может быть, удобство работы.
То, как она шумит, никого обычно не заботило.
Впрочем, это хорошо понятно. Люди прошлого
были избалованы тишиной, а ведь непросто ценить
то, что имеется в избытке.
Но избыток этот начал очень быстро таять.
Жизнь обитателя средневекового города была в
этом отношении уже незавидной: целый день в узких,
гулких улицах грохотали и скрипели тележные колеса,
кричали торговцы, звенели молотками
ремесленники. А в начале нашего века жизнь в
большом городе стала сущим шумовым адом —
дребезжание трамваев, треск мотоциклов,
автомобильные гудки, гул заводов, а позже и рев
самолетов любого незакаленного человека могли
свести с ума.
Когда положение стало критическим, за дело
наконец взялись врачи, и их исследования
показали, что шум не просто надоедает и утомляет —
он может всерьез подорвать здоровье,
причем не только слух, но и всю нервную систему.
Возникло новое понятие: «шумовое загрязнение».
Начали во всем мире с простых административных
мер — запретили пользоваться автомобильными
гудками, отменили полеты самолетов над
городами, вынесли за пределы города скоростные
железные дороги.
Это помогло, но только на время. Требовались
более серьезные меры, и тогда призвали к
ответу инженеров, которые в свое время создали
рычащие и грохочущие машины. Перед ними встала
теперь задача утихомирить своих не в меру шумных
«детишек».
44
Как только люди объявили шуму войну, в науке
и технике возникло два направления: одно
искало возможности в принципе не дать шуму
возникнуть, другое пыталось утихомирить шум,
обойтись без которого все же не удалось. Первым
делом постарались уменьшить вибрацию в машинах,
улучшить подшипники и усовершенствовать
глушители, чтобы звук заблудился в них и вообще не
вышел наружу. Теперь машинам возбранялось
скрипеть, тарахтеть или дребезжать. Кстати, те, кого
интересовали только производственные качества
этих машин, тоже не остались в накладе: оказалось,
что чем тише работает машина, тем меньше
изнашивается, тем она более надежна.
Но вот утихомирить шумы, уже появившиеся на
свет, оказалось очень трудно: звук проникает
почти везде — в любую щелку, сквозь самые толстые
стены. И сколько ни разработано специальных
звукопоглощающих прокладок или звукоотражающих
преград, успехи здесь невелики. Общее правило
таково: хочешь, чтобы было тише,— меньше шуми.
Это инженерное правило вежливости относится и
к тебе. Не топай по полу, особенно по вечерам —
даже толстые перекрытия не спасут соседа снизу
от твоего топота. Очень захотелось покричать —
кричи, конечно, но не во все горло: крик слышишь
не ты один.
Так что же, выходит, для звука вообще нет
преград? Есть. Это вакуум — абсолютная пустота.
Если в пространстве нет частиц, которые могли
бы передавать упругие волны, звук там
распространяться не будет. Это еще давно
подтвердил такой опыт. Под стеклянный колпак
ставили колокольчик и раскачивали его язычок с
помощью особого механизма. Звук, разумеется,
проникал сквозь стекло и доходил до ушей зрителей.
Но когда после этого из-под колпака откачали
воздух, колокольчик потерял голос. Было видно,
как трепещет он внутри, но — беззвучно. Так и
все земные звуки: их удел — оставаться на Земле,
в пределах нашей атмосферы. Вот почему космос,
в отличие от океана, действительно царство
безмолвия. Космическая пустота — порог, через
который не могут переступить никакие волны,
кроме...
Стенка хорошо поглощает звук, если ее конструкция
напоминает слоеный пирог. Такие стены делают для помещений,
где нужна полная тишина,— скажем, в акустических
лабораториях или на студиях звукозаписи. На рисунке видно,
что массивная кирпичная кладка перемежается слоями пористых
пластиков,— это сделано для поглощения наружного шума во
всем диапазоне звуковых частот. Более просто, хотя и не так
эффективно, проблема поглощения «ненужного» звука решена
в залах современных кинотеатров. Там к потолку подвешены
щиты с дырками, которые поглощают «лишний» звук, иначе
многоголосое эхо, возможно, не позволило бы хорошо слышать
звуковое сопровождение кинофильма.
На чертеже внизу — глушитель автомобиля. Грохот взрывов
горючей смеси в цилиндрах двигателя успеьает на своем
пути наружу «заблудиться» в металлическом лабиринте выхлопной
трубы. Насколько хорошо обычный глушитель справляется со
своими обязанностями, ясно всякому, кто хоть раз слышал рев
двигателя без глушителя — у спортивного мотоцикла или у
скутера.
45
БЕСТЕЛЕСНЫЕ
ВОЛНЫ

СКАЗКА ПРО
ВОЛШЕБНЫЙ
КИСЕЛЬ
Да, пустота — непреодолимый порог для всех волн. Кроме электромагнитных!
Волны эти необычны, объяснить, что они собой представляют, будет сложно,
так что постарайся снова собрать все свое внимание.
Итак, электромагнитные волны. С большей их частью ты знаком с раннего
детства — это обычный свет, который доходит до нас и от нашего солнца,
и от самых дальних звезд, пройдя в космической пустоте миллионы километров.
Если звук за одну секунду пробегает в воздухе около трехсот сорока метров, а
в воде около полутора километров, то свет в пустоте пробегает в секунду целых
триста тысяч километров! Такую огромную скорость осознать почти невозможно, а
в начале этого века ученые поняли, что она — вообще самая большая скорость на
свете, рекорд, который в принципе нельзя перекрыть.
Вопрос, как же все-таки световые волны путешествуют в абсолютной пустоте,
очень долго не давал ученым покоя. Чтобы избавиться от этой загадки, физики
придумали такую уловку: они предложили считать, что все мировое пространство
заполнено неким веществом, которое назвали эфиром. Это о нем, между прочим,
до сих пор по привычке говорят радиодикторы, когда объявляют: «А сейчас в
эфире прозвучат мелодии...» Конечно, к эфиру, жидкости, что продается в
аптеках, тот выдуманный «эфир» никакого отношения не имеет.
Так вот, якобы этот «эфир» не обладает ни весом, ни цветом, ни запахом и
вообще никак и никем не может быть замечен. Тем не менее у него есть некоторая
упругость, напоминающая свойства желе или застывшего киселя. Благодаря
этой самой упругости в «эфире» вроде бы и распространяются волны, которые
в наши дни называют электромагнитными. Что ж, удобное объяснение. На некоторое
время оно помогло физикам, привело их знания в относительный порядок.
Но разумно ли одно непонятное явление объяснять другим, которое
понимаешь ничуть не лучше и вдобавок даже не знаешь, есть ли оно на самом
деле?
Здесь было бы к месту вспомнить поучение английского философа-монаха
Оккама. Хотя он жил в самом начале XIV века и наукой в нашем понимании
не занимался вообще Оккам оставил в наследство потомкам некоторые общие
законы правильного мышления, которые полезно знать всем, кто хочет думать,
не допуская при этом ошибок. Одно из его правил звучало так: «Не создавай
лишних сущностей». Другими словами — пытаясь что-нибудь понять или разъясняя
несведущим сложные проблемы, не надо придумывать лишнего, того, без чего
можно обойтись и тем более того что само по себе неизвестно. Правило это
Сравнить скорость света со
скоростью звука легко во время
любой грозы. Гораздо труднее понять,
что стремительные электромагнитные
волны несут с собой не только
энергию, но и импульс, массу, то есть
их можно представить и как
поток мельчайших частиц — квантов.
Масса этих частиц ничтожно мала, но
все же великому русскому ученому
Петру Лебедеву в конце прошлого
века удалось измерить давление
света с помощью особых
сверхчувствительных весов (на
правой фотографии).
48
назвали «бритвой Оккама» — уж очень хорошо оно при любых спорах позволяло
отсечь любые случайные, сомнительные измышления.
«Бритва Оккама» будто специально создана для рассуждений ученых, прошлого
века об эфире. Однако отказались от «эфира» очень нескоро — только когда эта
теория завела ученых в тупик и никакие ухищрения не помогли объяснить
некоторых явлений природы: И здесь исследователи вспомнили про магнитное и
электрическое поля.
Все, конечно, знают, что вокруг магнита существует что-то такое, из-за
чего поворачивается стрелка компаса, гвоздики прилипают к его полюсам и
происходят тому подобные «чудеса». Это «что-то» и есть магнитное поле.
Как и «эфир», оно не имеет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, но тем не менее
оно вполне реально существует, в чем нас убеждает хотя бы обычный компас.
Немного похожими свойствами обладает и электрическое поле, существующее
вокруг не магнитных, а наэлектризованных предметов. Вакуум для этих полей не
помеха. Магнит и в космосе притягивает к себе железные гвозди, наэлектризованная
расческа и в вакууме может поднимать мелкие бумажки.
А вот если магнитное или электрическое поле в какой-то точке резко изменить, от
этого места во все стороны побегут электромагнитные волны, причем все поведение
таких волн будет выражаться только в колебаниях силы поля. Попробовали ученые
посмотреть под этим углом на существование электромагнитных волн, и сразу же
многие путаные и разрозненные наблюдения уложились в одну общую
систему, в которой и железный магнит, и молния, .и солнечный лучик — самые
близкие родственники. Интересные это волны. Начать хотя бы с того, что
по отдельности ни магнитная, ни электрическая волна существовать не могут.
Волновые колебания состоят в том, что при движении волны электрическое поле
все время переливается в магнитное и наоборот. О высоте таких волн тоже
говорить не приходится — силу, или потенциал поля измеряют не в сантиметрах. Для
измерения их амплитуды удобнее пользоваться хотя бы вольтами.
Электромагнитные волны подчиняются тем же законам, которые управляют
движением и морских, и звуковых волн, поэтому не помешает еще раз заглянуть
в начало книги. Только световые волны очень малы — их длина примерно в миллион
раз меньше миллиметра, так что увидеть их вообще невозможно. А если
хорошенько вдуматься, то само желание увидеть световую волну — нелепо. Ведь
видеть — это значит ощущать световые волны, попадающие в наши глаза.
Так как же рассмотреть световую волну с помощью ее самой?
Электромагнитные поля глазами не
увидишь, но при должной смекалке
можно составить представление об их
форме по тому, как они
воздействуют на другие предметы.
Железные опилки на фотографии
выстроились по силовым линиям,
соединяющим полюса магнита.
Самые длинные электромагнитные волны
отличаются от самых коротких в
миллиарды миллиардов раз. Длину
волн обозначают очень большие и очень
малые числа, поэтому здесь выбрана
обычная форма записи — по степеням
десяти. Например, 105 = 100 000,
а принятая здесь единица длины —
ангстрем — равна 10~8 см или
1/100 000 000 сантиметра
(скажем еще, что в одном метре —
1010 ангстремов).
ангстремы 101Э 10,г 10” 10’° 10" 10» 107 10е 10= 10* 10э 102 10’ 1	10’1 104 109
ИШИШМВ
49
СЕМИЦВЕТНОЕ
КОРОМЫСЛО
Временами природа как бы в
шутку сама сооружает спектроскоп
из того, что оказалось в наличии,
например из легкого тумана,
который бывает после дождя. Мелкие
капельки послегрозовой дымки встают на
пути солнечных лучей мириадами
крошечных призм. И тогда
обычный белый свет предстает
нам аккуратно разложенным на все
свои радужные составляющие: красную,
оранжевую, желтую, зеленую,
голубую, синюю и фиолетовую — всегда
только в такой последовательности.
Первый спектроскоп сделал еще
Ньютон. Это был просто кусочек
стекла (стёкла такой формы называют
призмами). Лучик солнечного света,
проходя через призму, разворачивался
радужным веером. Позже спектроскоп
оброс множеством сложных деталей,
но основа у него та же — маленькая
стеклянная призма (фото справа).
Лазер (фотография на стр. 51 слева)
выглядит пугающе сложно, но
его «сердце» — та самая деталь, из
которой вылетает тонкий лучик света,—
устроено очень просто: это
кристаллик или даже всего лишь
стеклянный цилиндр.
Надо ли говорить, что значит для людей свет? Каждый приведет десятки
примеров, когда без света жизнь не в радость. Лучше обратиться к необычным
свойствам света, с которыми сталкиваешься не каждый день. Вот хотя бы радуга —
это красочное представление устраивает в небе обычный солнечный свет. Он, так же
как и морская зыбь, состоит из множества волн разной длины, только в солнечном
луче каждой длине волны соответствует какой-нибудь определенный цвет. Лучи
всех цветов ведут себя почти совершенно одинаково, но разделить их все-таки
можно. Прибор, который делает это, называется спектрограф — с его помощью
можно получить и сфотографировать спектр, то есть разложить сложную
световую волну на отдельные составляющие ее волны.
Разные источники дают свет разных оттенков. Солнечный свет — почти белый,
свет настольной лампы — желтый, газовой плиты — голубой, угли в костре —
красные, а уж звезды на ночном небе имеют оттенки всех цветов радуги. Эти
цвета, которыми светится, сгорая или сильно раскаляясь, любое вещество, многое
говорят о его химическом составе. Если свет разложить в спектрографе и
определить, из каких волн он состоит, можно совершенно точно перечислить
все вещества, которые участвуют в горении. Так поступают, к примеру, химики —
с помощью спектрального анализа они могут назвать в исследуемом веществе
такие примеси, которые другим способом обнаружить бывает вообще невозможно.
Спектрограф — неоценимый помощник астрономов: только по спектру звездногр
света они узнают, каков состав звездного вещества. А один из химических
элементов был вообще впервые обнаружен таким образом только на Солнце.
Его так и назвали — солнечный, или, по-гречески, гелий. Подумать только — просто
глядя на Солнце, нашли на нем газ, которого на Земле ни разу и не видели (лишь
много лет спустя гелий в чистом виде был получен в лабораторных условиях).
Но спектр служит паспортом не только для световых волн, но и вообще для всех
волновых и колебательных процессов — звука, морских волн, колебаний
маятников. Например, спектр простого аккорда «до» — «ми» — «соль» — волны
звука с очень замысловатой формой — будет состоять из трех чистых звуков
(«правильных волн») «до», «ми» и «соль» и небольшого количества «вкусовых
добавок» — обертонов, создающих тембровую окраску музыкального звука.
Свет не так уж легко сфокусировать — это знает каждый, кто пользовался
карманным фонариком или выжигал с помощью увеличительного стекла. И луч
50
фонарика сужается только до определенного предела, и световое пятнышко,
сделанное лупой, получается не так мало, как этого хочется. Это можно объяснить
очень многими причинами, но избавиться от некоторых из них в принципе нельзя.
Однако, если взять кристалл, например, рубина и с помощью особой лампы,
дающей яркие вспышки (как у фотографов), «накачать» его световой энергией, при
определенных условиях кристалл вдруг станет испускать собственный свет —
чудесный, тонкий-претонкий красный луч. «Фонарик», дающий такой луч, назвали
словом «лазер». Сейчас лазеров сделано очень много — самых разных
конструкций, с разными кристаллами, газами, жидкостями, которые и излучают
На рисунке — спектр поглощения
какого-то простого вещества.
Расположение тоненьких темных
полосок однозначно скажет
специалисту, с каким веществом он
имеет дело. Поместив рядом спектр
другого вещества, можно сравнить
их и узнать, есть ли в нем первое.
Химики так и определяют состав
исследуемого вещества — сравнивают
его спектр со спектрами
известных веществ, помещенными в
особые спектральные атласы.
чудесный свет,— лазерный луч оказался мастером на все руки. Выжигать-то им,
конечно, куда лучше, чем с помощью увеличительного стекла. Лазер может
прожечь любые материалы — даже алмаз. В самой твердой стали он делает
отверстия шириной в тысячные доли миллиметра. Энергия в нем может быть
запасена огромная: даже проходя через прозрачное стекло, он оставит в нем свой
след. Таким работником оказался этот луч, что во многих профессиях изрядно
потеснил нашего старого знакомца — ультразвук. И привередливым врачам лазер
пришелся по душе, в самых тонких операциях — на глазу — он заменяет
хирургический скальпель: лазер и остер, и стерилен, а кроме того, сам способен
обеззараживать раны. Ученые и инженеры долго мечтали о луче, который на
больших расстояниях не расплывается вширь. Именно таков луч лазера. Скажем,
если даже обычным фонариком удобно передавать сигналы на расстояние, то лазер
для этого еще лучше: если «нагрузить» его луч какой-нибудь информацией, это
сообщение смогут принять хотя бы и на другой планете.
И еще одна удивительная способность обнаружилась у лазера. Если обычный
солнечный свет — это беспорядочная смесь самых разных электромагнитных волн,
Лазерный луч, проходя через
брусок обычного стекла, взрывал на
своем пути все незаметные для глаза
примеси и неоднородности — вот и
получились в стеклянной толще эти
цепочки блесток (фото внизу).
то в лазерном луче волны имеют одну и ту же длину, да еще аккуратно
«причесаны» — когерентны. А раз так, значит в принципе можно пересчитать все
волны, которые укладываются между лазером и каким-нибудь препятствием, в
которое упирается его луч. Выходит, кроме всего прочего, мы получили чудесную
линейку, длина которой может меняться от нескольких миллиметров до многих
километров, а величина делений все время одна — ошибка будет не больше длины
световой волны, то есть намного меньше тысячной доли миллиметра. Но и это еще
не все — впрочем, о лазере нужно писать отдельную книгу.
51
«ЖЕСТКИЙ»
СВЕТ
Эту привычную для нас картину нарисовали волны с правой
стороны нашей шкалы (смотри с. 49) — рентгеновские лучи.
Рентгеновский снимок — негатив. Там, где на пленку попадает
меньше лучей, тон изображения будет светлым — здесь
рентгеновские волны задерживаются более плотными тканями.
Так врачи-рентгенологи могут не только
рассматривать кости человека, выискивая в них переломы, но и
в мягких тканях замечать различные воспаления или опухоли,
поскольку распространение в них рентгеновских лучей хоть
чуть-чуть да отличается от обычного.
Электромагнитные волны — это не только
видимый свет. И так же, как было в случае
звуковых волн, лишь небольшую часть всех
электромагнитных колебаний способен воспринять
человек — только на этот раз благодаря глазам.
Сначала разберемся, что у нас справа, со
стороны более высоких частот. Сразу после
фиолетового света идет полоса света
ультрафиолетового (слово это и означает — «за
фиолетовым»). Волны этого диапазона во всем
похожи на обычный свет, только вот видеть их мы
не можем. Зато их хорошо «видит» наша кожа,
именно благодаря этому свету она покрывается
загаром. Загар не только украшает — он очень важен
для здоровья, так что, если человеку не хватает
солнечного света, в котором достаточно много
ультрафиолетовых лучей, приходится принимать
ультрафиолетовый свет дополнительно, как витамины.
Для этого есть специальные лампы — обычного света
они излучают поменьше, а ультрафиолетового
побольше. Кстати, этот свет заодно убивает и
болезнетворных микробов. Аналогия с витаминами
здесь не случайна. В самом деле, под воздействием
ультрафиолетового света в коже человека
вырабатываются необходимые для жизни витамины.
Но, как и с витаминами, здесь нужно быть
осторожным: избыток такого облучения тоже может
оказаться вреден.
Рентгеновские лучи, которые на этой лесенке
стоят еще выше ультрафиолетовых, знают,
наверное, все: с ними мы знакомимся в
рентгенокабинете поликлиники. Лучи эти легко
проходят сквозь наше тело — только кости
оказываются для них более серьезной преградой.
Вот почему на рентгеновских снимках человек
выглядит таким полупрозрачным. Сам рентгеновский
свет, разумеется, невидим, а врач,
просвечивая пациента с помощью рентгеновского
аппарата, рассматривает внутренние органы человека
на особом экране: в тех местах, где на экран
52
попадают рентгеновские лучи, он светится
обычным видимым светом.
Чем выше частота электромагнитной волны, тем
больше энергии она с собой несет, тем более
жестким называется ее излучение. Если жесткости
рентгеновского света хватает только на то, чтобы
пройти сквозь тело человека, то
гамма-излучению путь может преградить лишь
многометровая толща земли или тяжелая стальная
броня. С такими волнами шутки плохи — их энергия
уже столь велика, что, проходя через наше тело,
они могут нанести непоправимый ущерб тем
молекулам, из которых мы состоим.
Особенно опасно, если жесткие лучи доберутся до
сложных молекулярных цепочек, хранящих
информацию о наследственности. А ведь малейшее
изменение хотя бы в одном звене такой цепочки —
и организм будущего ребенка может начать
развиваться иначе, чем у его родителей.
Но на Землю непрерывно обрушивается проливной
дождь жесткого космического излучения,
приходящего к нам из космических глубин! Как в
таком случае спасается от гибели, от неизбежного,
казалось бы, вырождения все живое, населяющее
нашу планету? Что выполняет роль щита,
прикрывающего нас от смертоносных лучей?
Оказывается, это атмосфера, теплой непробиваемой
шубой окутывающая всю планету. Существует
гипотеза, что когда-то, миллионы лет назад, то ли
атмосфера хуже справлялась с этой задачей, то ли
космический ливень был посильнее, но это не
стерло с Земли зарождающуюся жизнь, а только
породило, из-за неустойчивой, постоянно
изменявшейся наследственности, все сказочное
многообразие растений и животных. При создании
новых сортов растений ученые-селекционеры тоже
пользуются жесткими лучами. Если облучить
растения или семена, в новом поколении появится
множество необычных форм, из которых можно
выбрать те, что обладают нужными свойствами.
Рассмотреть молекулы, эти мельчайшие, хотя и сложные
сооружения, из которых состоят все вещества, в обычном, видимом
свете, который воспринимают наши глаза, нельзя даже с помощью
самых лучших микроскопов. Волны видимого света слишком
длинны, чтобы, отражаясь от молекул, дать их изображение.
Другое дело — рентгеновские лучи. На снимке —
рентгенограмма сложной биологической молекулы ДНК. Правда,
строго говоря, по ней можно лишь узнать, как рассеиваются на
ее «скелете» короткие и жесткие рентгеновские волны,— но и это
позволяет многое понять о ее внутреннем строении.
53
ЛУЧИ ТЕПЛА
Посмотрим на левую сторону шкалы
электромагнитных волн. Чуть ниже красного света
идет уже невидимый инфракрасный (это слово тоже
легко перевести — оно значит: тот, что ниже
красного). Волны инфракрасного диапазона отвечают
за передачу тепла. Если бы Солнце не испускало
инфракрасных лучей, на Земле было бы гораздо
холоднее — ведь ровно половина его излучения
приходится на лучи тепла.
Некоторые свойства тепловых лучей можно
вывести без всяких опытов и наблюдений. Стоит
только напрячь память. Вспомним, как обычно
греются в прохладную погоду туристы у костра,—
все время они пересаживаются, поворачиваясь то
одним, то другим боком. Почему, когда греешь у
костра руки, начинает мерзнуть спина, когда
повернешься к костру правым боком, левому
становится холодно? Да потому, что у костра нас
греет не столько теплый воздух, сколько
инфракрасное излучение, а оно, как и видимый
свет, распространяется вдоль прямых лучей и
согревает только те предметы, которые может
осветить. Если у костра станет слишком жарко,
от его излучения всегда можно спрятаться в тень —
хотя бы за спину соседа. Но вот костер уже
гаснет. Вокруг сгущается темнота, вместо сияющего
пламени осталась только груда мерцающих красных
углей, но и они все еще льют на нас
невидимое тепловое излучение.
Еще одно свойство теплового излучения можно
выяснить с помощью простейшего опыта В зимний
солнечный день нужно положить на снег
несколько цветных лоскутков. То, что мы увидим
уже к вечеру, позволит нам сделать весьма важные
практические выводы. Нагревшись от тепловых
солнечных лучей, лоскутки ткани растопят под
собой снег и окажутся в небольших лунках, и чем
темнее будет лоскуток, тем глубже он опустится
Этот яркий снимок сделан в инфракрасных лучах, причем
разноцветные полосы и пятна с большой точностью позволяют
определить температуру разных участков кожи человека.
Фотографии в инфракрасном свете можно делать
и обычным фотоаппаратом. Только потребуется специальная
фотопленка, чувствительная к инфракрасным лучам, а корпус
фотоаппарата должен быть не пластмассовым, а металлическим:
ведь пластмасса для инфракрасных лучей прозрачна!
в снег. Вывод напрашивается сам: чем темнее
поверхность предмета, тем лучше она поглощает
тепловые лучи. Добавлю, что для излучения
справедливо то же самое: чем светлее
поверхность, тем она меньше излучает инфракрасных
волн. Зная этот закон, можем тут же внести
рационализаторское предложение: во-первых, зимние
ботинки, чтобы в мороз не зябли ноги, разумно
делать белого цвета; во-вторых, печи в сельских
домах, чтобы они грели поэффективнее, лучше
делать, наоборот, черными. Впрочем, эти
предложения я делаю не всерьез: экономический
эффект здесь не стоит ломки устоявшихся традиций.
У многих дома найдется отличный инфракрасный
прожектор — это обычный нагревательный рефлектор
или электрокамин. Но зачем у рефлектора большой
блестящий отражатель, как у огромной фары? Ведь
для освещения его слабенький красный свет все
равно не годится. Однако действие рефлектора
отличается от того, как работают печка или
отопительная батарея. У самого рефлектора не так
уж и тепло, зато сильнее всего нагреваются те
предметы, на которые направлен его отражатель,—
именно туда он посылает инфракрасные лучи, а
следовательно, и почти все свое тепло.
Если инфракрасный свет — это лучи,
переносящие тепло, то можно ожидать, что
невидимые инфракрасные лучи исходят, хотя бы
понемножку, от всех теплых предметов. Так оно и
есть. Днем все, что нас окружает, да и мы сами
просто купаемся в солнечном свете — в его
ультрафиолетовых, инфракрасных и обычных
видимых лучах. А вот в ночной тьме самым мощным
светильником может оказаться теплое тело
человека, которое не перестает светиться
невидимым инфракрасным светом.
Есть специальные приборы ночного видения, в
которых инфракрасный свет превращается в
изображение, доступное нашим глазам. Пользуясь
такими устройствами, похожими на бинокли или
подзорные трубы, ночью можно видеть так же ясно,
как днем, хотя картина на экране прибора будет
очень сильно отличаться от того, что мы видим при
нормальном, солнечном освещении. Самые теплые
предметы проступят на ней светлыми пятнами,
например разогревшаяся за день на солнце
асфальтовая дорожка покажется серебристой рекой,
текущей в почти черной траве.
На снимке внизу — вид из космоса,
полученный с французского
метеорологического спутника. Вообще-то
инфракрасные снимки всегда
черно-белые (как пейзаж на фотографии
слева) — ведь инфракрасные лучи
невидимы и пленка лишь регистрирует
большее или меньшее их количество.
Краски на изображениях, сделанных в
инфракрасных лучах,— результат
стараний электронной вычислительной
машины. Это она может расшифровать
даже очень замысловатые снимки и
раскрасить их условными цветами,
чтобы люди лучше замечали перепады
температур.
55
НЕВИДИМЫЕ
ТРУЖЕНИЦЫ
Ниже всего на нашей шкале находится диапазон
радиоволн. В природе эти волны занимают очень
скромное место и редко дают о себе знать.
Однако человеку они полюбились за свою
работоспособность. С того времени, как их открыли,
они стали значить для людей почти так же
много, как солнечный свет. Оказалось, что с этими
волнами сравнительно легко управляться — не так
уж и сложно сделать устройство, которое бы их
излучало, а прибор, который их принимает, сейчас
может построить любой старшеклассник — это ведь
простой радиоприемник.
7 мая 1895 года талантливый русский инженер
А. С. Попов продемонстрировал в действии свой
радиоприемник, который, по его словам, «заменил
человеку недостающие электромагнитные чувства».
Уже в 1899 году приборы Попова успешно
использовались при спасении терпевшего бедствие
корабля, а с 1900 года начала действовать регулярная
линия радиосвязи. Очень скоро радиоволны изрядно
потеснили звук во многих областях, где его прежде
использовал человек. Так, радиолокаторы,
работающие совершенно по тому же принципу, что и
приборы ночного видения у летучих мышей, но
использующие вместо звука радиоволны, стоят
сейчас на всех кораблях и самолетах, позволяя
капитану видеть сквозь туман и ночную мглу. Звук
оставили служить только в морских глубинах —
радиоволны плохо распространяются в
воде.
Полярное сияние — одно из
красивейших зрелищ, сопутствующих
обычно магнитным бурям. Жаль, что
видеть его во всем великолепии
можно только на далеком Севере, да
и то лишь зимой. Тогда огромные
радужные полотнища ярко загораются,
плещутся, переливаются в беззвучном
черном небе.
Принцип работы радиоприемника
сравнительно несложен. Однако,
если аппарат должен не только
принять радиоволны, но и
расшифровать заложенное в них
сообщение без искажений,
радиоинженерам приходится
придумывать самые замысловатые
схемы. Внутри радиоприемника —
прямо-таки лес транзисторов,
конденсаторов и прочих
радиодеталей (фото справа).
56
Для того чтобы передавать звук или изображение
на расстояние, радиостанции излучают очень
мощные радиоволны, причем волны эти не простые,
не «правильные», а имеют немного измененную
форму, в которой зашифрованы или звуки
радиопередачи, или картинки телевизионного
изображения.
Приемные устройства (то есть привычные
телевизоры или радиоприемники) ловят эти волны и
расшифровывают те передачи, которыми их
нагрузили на радиостанции. Такой, казалось бы,
сложный способ передачи информации оказался
настолько удобным, что сейчас тысячи радиостанций
по всему миру выпускают в эфир множество
самых разных передач, которые едва умещаются
в диапазоне радиоволн.
А что же сами радиоволны? Были ли они до
появления радиопередатчиков? Разумеется, были,
только некому было их ловить. Да и сейчас, если
покрутить ручку настройки приемника, в промежутках
между станциями можно услышать какие-то скрипы
и трески — это разговаривают дикие, неприрученные
радиоволны. Обычно они помнят свое место, и только
иногда, несколько раз в году, когда на
Землю падают особенно густые потоки космических
лучей, эти волны смелеют, и над Землей
разыгрывается магнитная буря.
Тяжелое это время для корабельных и самолетных
радистов,— треск и грохот в наушниках заглушают
всякую связь.
Самый левый участок шкалы электромагнитных колебаний
отведен для радиостанций, которые передают для широкой
публики разнообразные программы — новости, музыку,
спортивные передачи, спектакли. Кусочки шкалы
электромагнитных волн радиодиапазона можно найти на щитке
любого радиоприемника. Здесь бывают помещены также названия
наиболее крупных радиостанций (фото справа). Длины волн обычно
обозначают в метрах:
длинные волны — 1—2 километра,
средние волны — 200—600 метров,
короткие волны— 10—100 метров,
ультракороткие волны — 4—5 метров.
Остальные кусочки радиодиапазона (в промежутках между
названными, широковещательными диапазонами) используются для
специальной радиосвязи — например, между судами.
Радиостанций во всем мире сейчас стало так много, что
в эфире царит порой форменная давка: радиостанции мешают
ДРУГ другу, перебивают друг друга, отталкивают тех, что
послабее. Потребовались особые международные договоры, чтобы
навести относительный порядок в вещательных диапазонах.
Совершенно «правильная» электромагнитная волна не несет
с собой никаких сообщений. Вот передатчик уже работает
(верхний рисунок), но диктор молчит — ив наших
радиоприемниках тишина. Заговорил диктор (на среднем
рисунке показано изменение сигнала звуковой частоты,
приходящего из радиостудии) — и радиоволна начинает
изменяться в такт его голосу (нижний рисунок). Однако понять, чтб
именно сказал диктор, можно только с помощью разных устройств,
имеющихся даже в самом простом радиоприемнике.
57
ЧТО ЖЕ ТАКОЕ
ЭТИ ВОЛНЫ!
волнами, причем прошли
Сначала говорилось
каждый, и движение этих
последние столетия,
Мы познакомились с некоторыми бушующими вокруг
по тому же пути, каким двигалось до нас человечество,
о волнах, бегущих по водной поверхности,— их увидит
волн хорошо известно уже не менее двух тысяч лет. За
правда, удалось раскрыть многие загадки этого привычного, но непростого явления.
Потом речь зашла о звуке. Понять, что звук — это волновой процесс, люди смогли
только лет двести — триста назад. Однако к началу XX века и законы
распространения звуковых колебаний заняли место в учебниках среди незыблемых
физических истин — рядом с законами движения морских волн. Эти знания
нашли применение в бурно развивающейся технике. А вот более или менее четкое
представление о законах, которым подчиняются электромагнитные волны, возникло
совсем недавно — каких-то сто лет назад, и история современной науки повествует
о мужественной борьбе ученых с тайнами этих волн.
Волны морские, волны звуковые и волны электромагнитные — три разные стихии.
Почему же во всех этих случаях говорят о волнах? Вспомним рассуждения о
маятнике и струне. Если какое-то явление подчиняется формуле, полученной для
маятника, значит, это обязательно колебание и имеет смысл говорить о маятнике,
или колебательной системе. Для описания волн тоже есть подобная формула —
волновое уравнение. Ему послушны все волны, о которых мы говорили. А нет ли
еще каких-нибудь явлений, которые можно назвать волнами?
Вглядимся в облака, проплывающие над головой. Среди кучевых, перистых,
слоистых облаков нередко встречаются и волнистые облака. Почему у них такая
форма? Не волны ли это и в самом деле? Нет, сами облака — еще не волны, но
они своей формой отражают внутренние волны в толще воздуха. Как, и здесь
внутренние волны? Да, ведь атмосфера делится на слои точно так же, как и
вода в океанских глубинах, а по границам между этими слоями, именно там, где
формируются облака, неспешно проходят внутренние атмосферные волны,
подчиняющиеся тем же законам, что и внутренние волны в океане.
Еще незнакомые нам волны можно найти прямо под ногами. Земная толща, на
которой проложены дороги, где текут реки, построены города, постоянно дышит,
изменяет свою форму. Под тонкой кожей наносного грунта по ней перекатываются
тугие мускулы базальтовых материковых щитов. В отличие от стремительных и
58
резких сейсмических волн, волны геологических смещений, пожалуй, самые
медленные из всех, которые мы знаем на Земле. За год такая волна может
сдвинуться на миллиметры, а чтобы дождаться, когда подъем материкового
щита сменился опусканием, пришлось бы прожить несколько тысячелетий.
Совсем необычные волны можно увидеть, если подойти с мерками волнового
уравнения к таким явлениям, которые, казалось бы, не имеют ничего общего с
волнами. Вот, к примеру, таинственные «волны жизни». Их движению подчиняется
в природе жизнь диких животных. Пусть где-нибудь в сибирской тайге после
благополучного, сытого года резко увеличилась численность белок. От этого места
пойдут волны беличьего нашествия в другие области, пушистые зверьки начнут
завоевывать новые территории.
Из волн океана вышли когда-то на берег доисторические живые существа,
волнами, упорно наступая и ненадолго отступая, заселили они все материки, и по сей
день на земном шаре непрестанно проносятся неостановимые «волны жизни».
Одну из разновидностей «волн жизни» правильнее было бы назвать «волнами
смерти». Это волны инфекционных заболеваний, которые испокон века бушевали
над землей. В двадцатые годы советский ученый Чижевский обнаружил, что
эпидемии холеры или чумы и в самом деле строго подчиняются волновым
законам, разбегаясь кругами из некоторых районов Южной Азии по всему земному
шару. Более того, период этих страшных волн оказался равным одиннадцати
годам — это точно совпадает с периодом солнечной активности. По-видимому,
приходящие из космоса волны служат каким-то сигналом, запускающим на Земле
механизм развития эпидемий. Сейчас на пути смертоносных эпидемий медицина
поставила надежные заслоны, но волны гриппа все еще проносятся по всему миру
Внимательный взгляд обнаружит волны не только в окружающей нас природе, но и
в созданных человеком искусственных системах. Возьмем, к примеру, систему
энергоснабжения всего Советского Союза. По ней, следуя за движением Солнца
над нашей необъятной страной, ежесуточно проходит волна повышенной нагрузки.
Зарождается она на Дальнем Востоке ранним утром, когда люди, проснувшись,
включают свет, когда начинают работать заводы и учреждения. Когда эта волна
докатывается до наших западных границ, на востоке снова затишье, и энергетики
готовятся к новой волне, которая придет следующим утром.
В этой книге названы, конечно, отнюдь
не все волны, существующие в мире.
Можно было бы многое рассказать,
например, о гигантских волнах в
атмосферных вихрях — циклонах,
один из которых показан на
фотографии (посередине), сделанной с
экрана радиолокатора. Или о мало
исследованных волнах-колебаниях,
подчиняющихся одним и тем же
законам и в горящем пламени и...
в человеческом сердце. «Волны жизни»
уже вошли в обиход биологов,
замысловатые волновые картины
помогают специалистам в разных
областях науки и техники. Но многие
волны еще неведомы ученым.
Невидимые, неслышимые, они
дожидаются своих первооткрывателей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Действительно, куда ни обернись — всюду волны живут своей незаметной жизнью,
делают невидимую работу. Стоит приглядеться хотя бы к себе самому — все
жилки в теле незаметно вибрируют, волнами идет кровь по артериям, электрические
волны проносятся по нервам. Целый вихрь, например, мчится от глаз к мозгу
сейчас, когда ты читаешь эту страницу.
Чем же волны выделяются среди других явлений природы? Общими для всех
волн закономерностями! Если что-то в природе колеблется, пульсирует, дышит —
значит, это волна. Если что-то несется вдаль, не оставляя за собой следа,— это тоже
волна. Приглядишься внимательно — и станут видны многие волны, о которых здесь
еще и не было речи.
Череда округлых холмов русской равнины — это волны, медлительно
движущиеся по земной коре уже миллионы лет.
Трепет пламени в догорающем костре — тоже волны, сложные волны
химических реакций.
60
Лавина машин, проносящихся от светофора к светофору,— и это волна: она по-
слушна закону волнового движения, как и толпы людей, спешащих на работу или
возвращающихся домой.
Круто изогнутая спираль далекой галактики — даже это волна, волна сжатия гран-
диозных масс вещества, подчиняющегося еще не известным законам. А современ-
ная наука считает уже, что и атомы, те кирпичики, из которых состоит все в при-
роде,— это сложное переплетение электромагнитных и других, еще более загадоч-
ных волн.
Мир предстает перед нами как безраздельное царство разных колебаний,
волн. И то, что не все они познаны,— самое, пожалуй, чудесное. Да они и не могут
быть разгаданы и поняты все — ведь каждое новое открытие обязательно приносит
и новые вопросы. Таков путь к истине — к познанию окружающего мира.
В природе самое прекрасное — то, что еще не познано. Так что ищи эту красоту и
смелее спрашивай: хорошо заданный вопрос — это уже половина ответа.
61
ОГЛАВЛЕНИЕ
МОРСКИЕ СТРАННИЦЫ
СЕКРЕТЫ МАЯТНИКА И
СТРУНЫ
БЕСТЕЛЕСНЫЕ ВОЛНЫ

62
Предисловие	2
Откуда в море волны!	6
Приключения дождевой капли 8
Жизнь мертвой зыби	10
Эхо далекого шторма	12
Загадка девятого вала	14
Дыхание океана	16
«Большая волна»	18
«Мертвая вода»	20
Как взрослые играют в ко-
раблики	22
Упрямый маятник	26
Волшебный разум	28
Его Величество Число	30
Подземные волны	32
Охота за невидимкой	34
Техника без науки	36
Звуковая лесенка	38
Звук за работой	40
«Следы невиданных зверей»	42
Тише едешь — дальше будешь 44
Сказка про волшебный кисель 48
Семицветное коромысло	50
«Жесткий» свет	52
Лучи тепла	54
Невидимые труженицы	56
Что же такое эти волны!	58
Заключение	60
63
Дорогие ребята!
Отзывы об этой книге
издательство просит присылать
по адресу: 125047, Москва,
ул. Горького, 43,
Дом детской книги.
Для среднего школьного возраста
Андрей Григорьевич Ракин
ВОЛНЫ БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ
Научный редактор —
доктор физико-математических наук
Г. Э. Норман
ИБ № 6952
Ответственный редактор
В. И. БОЛОТНИКОВ
Художественный редактор
Л. Д БИРЮКОВ
Технический редактор
М. А КУТУЗОВА
Корректоры
Т. В. БЕСПАЛАЯ и В. В. БОРИСОВА
Фотографии и фоторепродукции автора.
Фото на с. 42 — С. КОЧЕТОВА.
Издательство выражает благодарность сотруд-
никам физического факультета МГУ и Поли-
технического музея за помощь в проведении
фотосъемок.
Фото на с. 21 и 51 (слева) — с разрешения
издательства «Знание».
На с. 19 — гравюра К Хокусая.
На с. 61 — гравюра Ф Д. Константинова.
Сдано в набор 04.05.84. Подписано к печати
31.01.85. А 08829. Формат 60Х108‘/8. Бум.
офсетн. № 1. Шрифт ж.-рубл. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 9,6. Усл. кр.-отт. 40,8. Уч.-изд. л. 11,18.
Тираж 100 000 экз. Заказ № 2849. Цена 1р. 20 к.
Орденов Трудового Красного Знамени и Дружбы
народов издательство «Детская литература» Го-
сударственного комитета РСФСР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли.
103720, Москва, Центр, М. Черкасский пер., 1.
Калининский ордена Трудового Красного Зна-
мени полиграфкомбинат детской литературы
им. 50-летия СССР Росглавполиграфпрома Гос-
комиздата РСФСР. 170040, Калинин, проспект
50-летия Октября, 46.
Ракин А. Г.
Р19 Волны большие и маленькие: Научно-популяр-
ная лит-ра/Рис. В. Куженашвили и Н. Новикова.—
М.: Дет. лит., 1985.—63 с., ил.
1 р. 20 к.
Всевозможные явления окружающего мира (как, например, волны на
просторах океана, колебания земной коры, звук, электромагнитное излучение
и т. д.) познакомят юных читателей с основами физики колебательных процессов.
4802000000—216 07?	ББК22.3
К М101(03)85	"	53
Научно-популярная литература
ф ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА», 1985 г.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА