Приключения радиолуча

У Козьмы Пруткова есть классическое поучение: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою». Может, таким образом наши далекие предки и познакомились с волнами? Во всяком случае возможностей для наблюдения волн у них было предостаточно. На воде волны возникают с необычайной легкостью, достаточно лишь дуновения ветерка. Взволнованная поверхность воды кажется нам естественной и очевидной. Поэтому, наверное, при упоминании о волнах непроизвольно возникает навеянный тысячелетними наблюдениями образ волны на воде: нечто бегущее, регулярно повторяющееся в пространстве и времени. Воспользуемся и мы этой традиционной моделью волнового явления, чтобы уяснить основные его особенности.

Такой способ — изучение какого-либо явления с помощью модели — широко распространен. Например, авиаконструктор исследует аэродинамику самолета на уменьшенной его модели в аэродинамической трубе. По этому же принципу действует конструктор судов. Он изучает поведение модели проектируемого корабля в бассейне с водой. Ученые описывают и исследуют окружающий нас мир, создавая его абстрактные модели, называемые теориями. Научная теория — тоже модель. Так и волны от брошенных в пруд камней — наглядная модель волновых явлений разной природы, в том числе и радиоволн.

Почему образуется волна в эксперименте, который рекомендовал Козьма Прутков?

Ударившись о поверхность воды, камень вытесняет воду. Вытесненная вода вспучивается вокруг камня, образуя кольцевой холмик. Иногда вода выталкивается так быстро, что часть ее отрывается от поверхности и разбрызгивается во все стороны.

Водяной холм не остается неподвижным — вода вокруг места, куда упал камень, приходит в сложное колебательное движение. Каждый небольшой объем воды движется вверх и вниз и с некоторой задержкой во времени приводит в такое же движение соседние с ним объемы воды.

Не всякое колебательное движение является волновым. Например, маятник настенных часов совершает колебательное движение, но это отнюдь не волна. Физики относят маятники к системам с сосредоточенными параметрами. При анализе маятник можно заменить одной колеблющейся точкой. А для волны нужна среда, которую нельзя представить в виде одной точки. Она — непрерывная совокупность точек. Физики относят подобные среды к системам с распределенными параметрами. При волне соседние точки среды одна за другой последовательно приходят в движение. В этом главная особенность волны — она «бежит», то есть перемещается в пространстве. Если на поверхности водоема плавают какие-нибудь предметы, например щепки, то при прохождении волны они будут подниматься и опускаться: сначала те, которые поближе к месту падения камня, а затем и те, которые подальше, то есть волна «бежит» с определенной скоростью. В колебательное движение приходит не сразу вся поверхность водоема, а постепенно от места зарождения катится волна, сменяясь то гребнем, то впадиной. Как и всякую скорость, в учебных и научных изданиях скорость распространения волны часто обозначают латинской буквой V.

Скорость волны зависит от природы жидкости, в которой она возникла. В более вязких по сравнению с водой жидкостях типа меда или сиропа волна бежит с меньшей скоростью и затухает гораздо скорее, чем в воде.

Но почему же волна продолжает распространяться даже после того, как возбудивший ее камень уже покоится на дне? Камень нарушил равновесие воды и привел ее в колебательное движение, а оно уже продолжает существовать независимо от вызвавшей его причины.

При первом взгляде на волну почти наверняка покажется, что частицы среды движутся, текут вместе с волнами. Однако начальное впечатление обманчиво. Волна бежит, а ее частицы остаются практически на своих местах. Щепки качаются на волнах, не приближаясь к берегу и не удаляясь от него.

Это свойство отметил еще в пятнадцатом столетии Леонардо да Винчи. Он писал о волнах: «Импульс гораздо быстрее воды, потому что многочисленны случаи, когда волна бежит от места своего возникновения, а вода не двигается с места, — наподобие волн, образуемых в мае на нивах течением ветров; волны кажутся бегущими по полю, между тем нивы со своего места не сходят». Ясно, Леонардо сознавал, что в то время как волна движется от одного места к другому, вода не идет вместе с ней. Волна — словно летящее известие: «Где-то что-то произошло». Она — возбужденное состояние среды. Сама среда, как и колосья нив из примера Леонардо, остается на месте, а бежит вперед лишь ее возбуждение.

Если подержать палец достаточно низко над поверхностью воды, то можно ощутить каждый проходящий гребень волн, разбегающихся от места падения камня. Расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называют длиной волны. Ее обычно обозначают греческой буквой λ (лямбда).