Кто вы?

Обратимся к вращательному движению. Здесь мы тоже наблюдаем циклические повторения. Есть ли это колебательное движение? Оказывается, сумма двух синусоидальных колебаний равной частоты, сдвинутых под углом в 90 градусов, образует круговое движение. Давайте подадим на вертикальные и горизонтальные пластины телевизионной трубки (или осциллографа) одно и то же синусоидальное колебание. Это заставит электронный луч колебаться, как на качелях, одновременно и в вертикальной и в горизонтальной плоскости. На экране мы увидим неожиданный результат — идеально выписанную окружность.

Период вращательного движения, естественно, равен времени одного оборота.

Мы уже познакомились с разверткой колебаний во времени или с его временным ходом. Имеется второй метод графического изображения колебаний. Он особенно удобен при изображении нескольких колебаний с разными частотами. При этом используется ось частот (а не ось времени, как в первом случае). На этой оси каждое колебание изображается вертикальной линией, высота которой пропорциональна амплитуде колебаний. Такое изображение получило название спектрального. Пусть две струны колеблются одновременно. Одна с частотой F₁ = 200 герц, другая с частотой F₂ = 500 герц. Амплитуда колебаний первой равна одному миллиметру, а второй — двум миллиметрам. Временной ход и спектр этих колебаний показан на приведенном здесь рисунке.

В природе и технике мы сталкиваемся с великим разнообразием колебаний. Поразительно то, что, меняя всего лишь один их параметр — частоту колебаний, мы меняем их свойства, их природу. Века потребовались человеку, чтобы распознать единую основу в морских волнах и солнечном свете, в звуках и радиоволнах.

Спектр изученных человеком колебаний очень широк.

Начинается он от очень медленных механических колебаний в доли герца и кончается невообразимо быстрыми рентгеновыми и гамма-лучами с частотой в миллионы миллиардов колебаний в секунду. А между ними сколько разных пород колебаний: звуковые, радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи…

Таким образом, в наших колебательных джунглях скучать не будешь от однообразия видов.

Среди волн

Речь пойдет, конечно, не о восхитительной картине И. К. Айвазовского «Среди волн», почему-то недостаточно известной. Я как-то присел на минутку полюбоваться этим гигантским полотном, заполненным диким вихрем волн. Только волны. Кораблей нет. Людей нет. Берега нет. Только хаос возбужденной колебательной стихии. И не заметил, как провел у полотна два часа.

Что же такое волна?

Давайте выстроим шеренгу из старинных русских игрушек ванек-встанек. (Этот ванька обладает таинственной силой — нас так и тянет его валить и бесконечно наблюдать, как он бодро вскакивает.) Толкнем первого. Он начнет колебаться и передаст толчок второму, второй — третьему и т. д. Это простейшая модель преобразования колебаний источника в колебание, бегущее в пространстве. Такое распространяющееся в окружающей среде колебание образует волну. Почему она возникает?

Источник всегда окружен некоторой материальной средой. Возбуждающий элемент источника передает колебания непосредственно прилегающим к нему частицам среды. Они, в свою очередь, передают их своим соседям, более удаленным от источника, и т. д. Грубо говоря, генератор колебаний «раскачивает» окружающую среду, в ней возникают волны, распространяющиеся в этой среде. Частицы среды — лишь промежуточные ваньки-встаньки. Каждая из них колеблется, пользуясь модным словом, в своем микрорайоне. В этом легко убедиться. Ударьте пальцем по натянутой веревке. По ней побежит волна. Она передастся от элемента к элементу.

Меня много раз выручала эта волна в горах. Альпинистская веревка, часто называемая нитью жизни, имеет коварное свойство цепляться за все уступы, плохо лежащие камни и попадать в расщелины. Такое событие на трудной скальной стенке грозит печальными последствиями.

Но, пустив по веревке небольшую волну нужной амплитуды, удается освободить веревку и исключить опасность.

Следовательно, частицы среды не путешествуют вместе с волной. Ведь именно благодаря этому световые и радиоволны преодолевают силы тяготения без всяких усилий, без всяких ракетных двигателей. Это и создает предпосылки для радиоконтактов.

Из надписей на шкалах приемников познаются по крайней мере два факта:

— волны бывают разной длины (длинные, средние, короткие и ультракороткие);

— длина их обозначается таинственной буквой λ (лямбда).

Что же есть λ? Перенесемся мысленно на море. Плавая на морских волнах, вы чуть-чуть поссорились со своей подругой. Пребывание вместе на одном гребне волны стало принципиально невозможным. Ваша подруга переместилась на соседний гребень. Теперь расстояние между поссорившимися равно λ (при крупных ссорах дистанция в одну λ, вероятно, будет недостаточной). Итак λ — это расстояние, которое волна пробегает за время одного цикла или одного периода колебаний в среде, и называется длиной волны.