А это значит, что далеко распространяющийся инфразвук может заранее предупредить о надвигающейся буре.
Именно так и происходит! Медузы и некоторые другие прибрежные обитатели очень чувствительные к инфразвуковым колебаниям, поэтому перед штормом, предчувствуя его, медузы уплывают далеко в море, чтобы волнами их не выбросило на берег.
В обычных условиях морские инфразвуки маломощны, но иногда их можно ощутить непосредственно.
Именно так они и были обнаружены – в 1934 году на научно‑исследовательском судне «Таймыр» в Карском море ученые запускали метеорологические зонды, наполненные водородом. Зонд – это воздушный шар с прикрепленными к нему научными приборами, который запускается для исследования атмосферы. И когда один из исследователей поднес шар к уху, он внезапно ощутил резкую боль. Отодвинул шар – боль прошла. Приблизил – снова стрельнуло. Парень подивился и рассказал об этом Шулейкину, который тоже был на судне. Физик заинтересовался, начал думать. И додумался вот до чего…
Виновник боли – дошедший до судна издалека штормовой инфразвук. Он очень слабый и просто так воздействовать на человека не может. Но воздушный шар, поднесенный к уху, послужил для инфразвука резонатором и многократно усилил его – так, что ухо заболело. Была бы другая частота, заболел бы какой‑нибудь другой срезонировавший орган. Или возникла беспричинная паника.
На равнине шар, поднесенный к уху, боли не причиняет. А на море при некоторых условиях – причиняет. Значит, на равнине инфразвуков нет, а на море есть.
|
|
|
Возможно, резонатором для этих звуков может послужить сам корпус корабля, это зависит от его линейных размеров и частоты долетевшего инфразвука. Если все условия для резонанса совпадают, вот тогда для экипажа и начинается настоящий кошмар. Все попытки загородиться от этой ужасной вибрации не помогают – закрывайся брезентом, забивай досками окна – ничего не поможет. Остается одно – панический побег от ужасающе вибрирующего корабля.
Ну, что, нагнал я на вас страху?
То ли еще будет! Трепещите заранее!
Глава 3
Волны‑убийцы и волны видимости
Итак, ветер, то есть поток газа, обтекающий волнистую поверхность моря, может порождать в атмосфере волны инфразвуковой частоты – от 0 до 20 герц. Теперь отойдем от атмосферных волн и посмотрим на волны морские.
Про цунами все, конечно, слышали. Толчок подводного землетрясения распространяется по океану в виде мощной волны. В открытом океане она не опасна, высота ее всего‑то около метра, корабль такую волну даже не заметит, тем более, что волна эта очень‑очень пологая, то есть дли‑и‑инная. Вы ведь, надеюсь, помните, что длина волны – это расстояние между двумя соседними горбами (ну или впадинами, без разницы)? Так вот, длина волны цунами огромна – она может достигать 600 км. При этом ее скорость чертовски велика, она распространяется по морю с быстротой самолета – до 850 км/час. Но при приближении к берегу падает глубина и потому начинает катастрофически расти высота и крутизна волны. У самого берега она может достигнуть высоты в 30 метров, а это высота 10‑этажного дома. Неудивительно, что такие волны разрушают целые города, выкидывают на берег огромные корабли, забрасывают на гору тепловозы и убивают десятки тысяч человек.
|
|
|
Например, в декабре 2006 года огромная волна цунами ударила по острову Шри‑Ланка. Погибло 30 тысяч человек. И при этом практически никто из диких зверей не погиб. Представляете себе – на десятки тысяч человеческих трупов ни одного трупа животного! Спаслись и крупные звери – такие как слоны, леопарды, – и мелкие, типа кроликов и сусликов. Звери, которые во много раз более чувствительны к предупреждающему инфразвуку, почувствовали угрозу заранее и ушли от берега подальше и повыше. Если бы люди последовали за ними, никто бы не пострадал.
Обезьяны убежали в джунгли за несколько часов до удара стихии, слоны оборвали цепи, которыми были привязаны за ноги к колышкам, и ушли на холмы. Японские туристы, которые приехали на остров, чтобы понаблюдать за животными, поехали на автобусе за слонами, поднимающимися вверх, и если бы они остались там, то уцелели бы. Но, полюбовавшись на слоников, они спустились вниз в гостиницу на завтрак – и погибли, попав под удар волны.
|
|
|
То же самое цунами, которое ударило по Шри‑Ланке, добило и до острова Пхукет. Там произошла замечательная история. Ручные слоны катали туристов и вдруг ни с того ни с сего побежали от берега в джунгли. Поскольку на одном из слонов была катающаяся девочка, погонщики с криками помчались за слонами. Слоны, однако, и не думали их слушаться, они остановились только забежав на холм. И только потому спаслись вместе с девочкой и погонщиками.
В общем, цунами доставляет людям, живущим на океанском побережье, немало неприятностей. Но про цунами давно всем известно, в развитых странах существует служба предупреждения о цунами. Однако, помимо цунами и обычных штормовых волн, существует еще одно странное явление, которое долгое время наукой отрицалось. Это одиночные волны‑убийцы.
Среди моряков давно ходили легенды о том, что порою в океане в относительно спокойном море корабль вдруг настигает неведомо откуда взявшаяся огромная одиночная волна, переворачивает судно и так же быстро уходит. Ученые долгое время считали эти слухи обычными байками: у них по теории волн свыше 20 метров в открытом океане быть никак не могло. И почему они одиночные? Откуда они берутся, если ветра нет и подводного землетрясения тоже не было? Не может такого быть!
|
|
|
Однако 1 января 1995 года норвежскую нефтяную платформу, которая спокойно себе добывала нефть из дна морского, разбила гигантская волна. Ее официально зафиксированная высота оказалась более 25 метров. Это были уже реальные убытки, от которых, как от слухов не отмахнешься. И поэтому была принята целая программа по поиску и исследованию таких необычных волн. Для их поиска по всей планете подключили систему спутников Европейского космического агентства и меньше чем за месяц зафиксировали на планете в разных ее местах больше десятка гигантских волн высотой свыше 25 метров!
Хочу еще раз подчеркнуть – это были не цунами, поскольку их появление никак не связано с землетрясениями и подводными извержениями вулканов. Эти волны‑убийцы беспричинно возникают словно бы из ниоткуда и уходят в никуда. Причем одна такая суперволна может с мачтами накрыть огромный нефтеналивной танкер, сухогруз или контейнеровоз прямо в открытом океане. А мы знаем, что цунами в открытом океане кораблем даже не замечается!
В 1980 году неподалеку от Южной Африки гигантская волна нагнала сзади нефтеналивной танкер «Эссо Лангедок» и прокатилась на нему, накрыв даже радиомачты. Когда она схлынула, помощник капитана, находившийся в рубке, даже успел сфотографировать ее.
Бывали такие случаи и ранее. Например, в 1973 году 300‑метровый танкер «Свиленд» держал курс, борясь с 12‑метровыми волнами во время шторма. Это в принципе большие волны! Но учитывая, что высота танкера была 30 метров, он с ними справлялся шутя. И вдруг прямо по курсу возникла гигантская волна, перед которой зиял огромный провал. В который судно и ухнуло. Гигантская волна ударила в танкер, перекатилась через него, травмировав нескольких матросов, и ушла.
А вот как описывает свою встречу с аномальной волной офицер британского военного корабля: «Крейсер шел быстро и почти без качки, встречая умеренную зыбь и ветровые волны, когда внезапно мы провалились в яму и понеслись вниз навстречу следующей волне, которая прокатилась через первые орудийные башни и обрушилась на наш открытый капитанский мостик. Я был сбит с ног и на высоте 10 метров над уровнем моря оказался в полуметровом слое воды. Корабль испытал такой удар, что многие решили, что нас торпедировали, и заняли места по боевой тревоге. Капитан сразу же уменьшил ход, но эта предосторожность оказалась напрасной, так как умеренные условия плавания восстановились и больше «ям» не попадалось».
Крейсеру повезло. Но так везет не всем. У берегов Японии похожая волна ударила в английский сухогруз «Дербишир», пробила грузовой люк и хлынула в трюм. Огромный корабль длиной в 300 метров, которому, казалось бы, ничего не страшно, затонул, унеся с собой на дно почти полсотни человек.
А вот как погиб нефтеналивной танкер «Всемирная слава». Получив штормовое предупреждение, корабль сбавил ход и держался носом к волне, прекрасно справляясь с ситуацией. Однако в какой‑то момент невесть откуда возникла огромная 20‑метровая волна, взобравшись на которую, танкер вывесил нос и корму, которые оказались на какой‑то момент в воздухе, не будучи удерживаемые водой. И корабль просто переломился пополам, разлив всю нефть. Какое‑то время его половинки еще сохраняли плавучесть, но потом затонули.
Не повезло и судну «Нептун Сапфир», которому удар огромной волны оторвал нос – переднюю часть корабля длиной с 20‑этажный дом просто отломило.
Считается, что именно волны‑убийцы стали за последнюю четверть века причинами гибели более двух сотен кораблей,
причем десятая часть из них – это гигантские супертанкеры, которые считались непотопляемыми.
В теории самый сильный ветер при самых благоприятных условиях не сможет нагнать волну выше 20 метров в высоту. Откуда же берутся волны высотой в 30 метров, если теория их запрещает? Значит, они результат не ветрового нагона. И не результат землетрясения. А чего тогда?
Ведут себя эти волны странно. Иногда такая волна‑убийца вдруг нежданно возникает в полном одиночестве, а затем пропадает без следа. А иногда такие волны возникают целой серией и бегут по океану, преодолевая сотни километров.
Возможно, эти суперволны – результат сложения, суммирования волн поменьше, предположили ученые. Так оно в итоге и оказалось: волны‑убийцы – порождение наложения разных волн друг на друга.
? А что, разве волны умеют складываться?
Да, мои маленькие и крупные друзья, волны умеют складываться! И это очень и очень интересное дело. Интересное как на практике, так и в виде отвлеченных рассуждений.
Вот смотрите… Физика изучает взаимодействие всяких физических тел. К телам мы привычные, мы и сами – тела на ножках. Все физические тела сделаны из вещества. Мы теперь знаем, как оно устроено на разных уровнях: три элементарные частицы – атомы – молекулы. Кроме вещества, в этом мире существует еще некое неосязаемое и невидимое поле, как мы выяснили. Вещество и поле называют громким словом «материя». Физики изучают свойства материи. И вот теперь выясняется, что физики изучают еще и волны.
А что такое волны? Это и не вещество и не загадочное поле. Волна – это чистое движение. Процесс! Процесс колебания частиц среды, в которой распространяются волны. При этом сами свойства среды физиков, изучающих волны, не особо интересуют. Это может их заинтересовать только если указанные свойства среды влияют на распространение волн в ней. А так физиков‑волновиков интересуют только свойства самих волн – как таковых. Им интересно, как волны преломляются, как они огибают препятствия, как складываются друг с другом или гасят друг друга.
Выясняется, что вне зависимости от того, какое именно вещество колеблется, то есть по какой именно среде передаются волны, у всех волн, как у физического процесса, наблюдаются одни и те же свойства.
Самыми известными из этих свойств являются дифракция и интерференция.
Эти многомудрые слова не должны вас пугать. Напротив, принятие вами на вооружение новых научных слов делает вас сильнее, круче и богаче на голову.
Что такое дифракция? Это способность волн огибать препятствия или проходить сквозь щели. И не спрашивайте меня, каких волн – водяных или воздушных. Любых! Потому что волновая физика изучает свойства процесса распространения волн, а не свойства среды, по которой они бегут. Общие свойства волн от среды не зависят.
Посмотрите внимательно на два рисунка ниже. Слева на стенку набегает сплошной волновой фронт. В стенке дырка. Как вы думаете, каким образом после дырки будет распространяться волна – как нарисовано на первом рисунке или как на втором?
Слева набегают волны. Какой характер будет носить их распространение после отверстия в стенке – как на первой картинке или как на второй?
Правильный ответ – как на первом. Потому что у волн есть свойство «загибаться», то есть слегка огибать препятствие и проникать в область геометрической тени. То есть, казалось бы, в каком‑то месте за препятствием колебаний быть не должно, но волна эдак аккуратно за препятствие заглядывает и бежит там, где должна была быть волновая тень, если бы волны огибать препятствия не умели.
Если вас и вашего приятеля будет разделять небольшая гора, и он, поднатужившись, крикнет из‑за горы, вы его услышите, хотя гора вас затеняет от звука. Это произойдет потому, что волны имеют свойство препятствия огибать. (Конечно, гора должна быть при этом не слишком велика, а то звук просто ослабнет из‑за расстояния.)
Голос вопящего за горой слышен из‑за дифракции
Теперь самым внимательным образом посмотрите на картинку ниже. Здесь волны не проникают через дырку в стенке, а огибают столбик, на который мы смотрим как бы сверху.
А почему после огибания препятствия там получилась какая‑то полосатая зебра? Да потому что волны, с двух сторон обогнувшие края столбика, встретились и начали складываться и минусоваться друг с другом. Если горбик одной волны совпал с горбиком другой, получилась волна вдвое выше. А если горбик одной волны совпал с провалом другой, они погасили друг друга – горбик заполнил провал. Вот и получается – где‑то двойные волны, а где‑то волн вовсе нет.
Сложение волн друг с другом называется интерференцией. И в данном случае эта интерференция у нас получилась из‑за дифракции, то есть из‑за того, что волны разделились препятствием, обогнули его, чуть изменив направление, и встретились друг с другом, начав складываться друг с другом и вычитаться друг из друга.
Волна огибает столб, давая полосчатый рисунок
Разумеется, складываться и вычитаться могут только волны одной частоты, в науке их называют когерентными. А если частоты разные? Тогда сложения не будет, а будет независимый бег волн – как на море. Представьте себе, как по морю катятся большие валы волн, а по их поверхности распространяется мелкая рябь, которая никак не мешает накату больших волн. Эти разные волны существуют параллельно и сложиться не могут. А вот если частота (длина волн) совпадает – тогда могут.
В физике складывается только то, что может сложиться. Бесполезно складывать пять яблок и три трактора, у вас все равно будет пять яблок и три трактора. А вот пять яблок и три яблока сложить можно – получится 8 яблок. Не так ли? Этим физика отличается от математики. В математике складываются голые цифры, а в физике – вполне конкретные величины. Поэтому мой вам хороший совет: когда вы станете академиком в области физики, всегда обращайте внимание на единицы измерения того, что складываете. А то еще сложите по забывчивости килограммы с метрами или вольты с амперами, греха не оберешься. За такое и Нобелевскую премию могут сразу отнять! Потому как это все равно, что в математике на ноль разделить – за подобное математики сразу убить могут.
А теперь вообразите, что у нас неподалеку от берега есть два источника когерентных волн, то есть тех, которые могут складываться – с одной частотой. Ну, как будто мы одновременно бросили неподалеку друг от друга два совершенно одинаковых камушка, породившие одинаковые волны.
Картинка того, как они будут складываться, нарисована ниже.
Здесь толстыми линиями нарисованы бугры волн, а тонкими линиями – впадинки. Места, где встречаются бугры, обозначены черными кружочками, здесь из‑за сложения высота суммированных волн будет вдвое выше. А места, где встречаются бугор одной волны и впадинка другой, обозначены белыми. Здесь волна гасится, бугор поглощается впадинкой, и волнения нет.
Сложение когерентных волн
Но поскольку волны расходятся от упавших камней кругами, на берегу будет наблюдаться удивительная картина – в одних местах, куда подбегают удвоенные волны, будет сильный прибой (лучи распространения показаны желтым). А между ними – тишина и спокойствие, никаких волн! Этакий пунктирный прибой.
Волновые лучи – результат сложения круговых волн из двух источников возбуждения. Прелестно!
А теперь внимание! Сейчас будет фокус!
Необычайно хитрые физики XVIII века пропускали солнечный свет через маленькую дырочку в плотной занавеске на окне и получали тонкий солнечный луч. Который затем пропускали через две маленькие щели в черном экране. Свет, пройдя через щель, расширялся конусом, огибая препятствие в виде краев щели (дифракция), и распространялся конусом дальше, встречался с соседним, точно таким же конусом. И оба лучевых конуса начинали складываться и вычитаться (интерференция).
Схема эксперимента, проведенного физиком Юнгом. Внизу волнистой линией показана интенсивность света, падающего на экран. В серединке она максимальна, затем темное место, затем светлое и так далее.
Получилась картина нам уже знакомая – дифракция и интерференция. И что это значит? Это значит, что свет – волна!
Значит, спор между Ньютоном, который считал свет летящими маленьким частицами‑корпускулами, и его оппонентами, которые говорили, что свет есть волна, разрешился в пользу волновиков. Свет обладает свойствами волн, значит свет есть волны, а не частицы! Поток частиц не обладает свойствами дифракции, и частицы не могут складываться между собой.
Как ведут себя волны и как частицы.
Набегающие на отверстия волны и частицы
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 152; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!