Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Взять, к примеру, широкие взмахи руки из стороны в сторону и едва заметные взмахи пчелиных крылышек. Жужжание пчелы, подлетающей к вашей компании на пикнике, вы слышите отчетливо — пчела машет крылышками с частотой около 180 раз в секунду. То есть с частотой 180 герц; эта величина названа по имени жившего в девятнадцатом веке немецкого физика Генриха Герца, который впервые доказал существование радиоволн. Итак, пчела возвращается в улей, чтобы поведать о точном местонахождении моего пирога с заварным кремом — ползая среди своих товарок, она принимается вилять брюшком. Ее движения при этом еще менее заметны, чем взмахи крылышек, к тому же частота их повышается до 500 герц.^{38} Однако возникающие в результате этих невероятно малых колебаний давления акустические волны слышны довольно четко — они находятся в пределах того самого частотного диапазона (от 20 до 20 000 герц), что доступен нашему слуху. Взмахи крылышек и виляния брюшком вызывают колебания атмосферного давления постоянной частоты — мы даже слышим их, как музыкальные ноты. Чем выше периодичность последовательностей из гребней высокого давления, достигающих нашего уха, тем отчетливей мы различаем в них музыку. Пасечник с абсолютным слухом слышит в более громком жужжании виляющей брюшком пчелы ноту «си». На фортепиано это нота «си» первой октавы.

«Фа-диез» малой октавы

Пожалуй, хорошо, что наши барабанные перепонки обладают такой чувствительностью: ведь суммарная мощность от звуковых волн, порождаемых играющим в полную силу оркестром, равна мощности, потребляемой одной-единственной лампочкой накаливания в 100 Вт^{39}. Кстати, стоит помнить, что путь от оркестровой ямы до нашего кресла в зале проделывает не сам воздух — воздух, в общем и целом, остается там, где и был. До нас же доходит энергия в виде локальных колебаний воздуха. Получается, мы слышим вовсе не истинный «ветер» Моцарта.

Устройство нашего слухового аппарата тоже довольно замысловато, ведь звуковые волны от каждого музыкального инструмента проплывают через весь концертный зал и достигают нас, уже слившись в одно целое. Иначе невозможно, потому как все волны распространяются через одну и ту же воздушную среду, которая в каждый момент времени в каждой точке пространства способна сжаться или расшириться единожды. Поэтому волны объединяются в одну цепь колебаний, сложную последовательность из сжатий и разрежений, которая воздействует на наши барабанные перепонки — перепонки начинают колебаться в соответствии с ними. Наш мозг способен распутать эту хаотическую последовательность колебании — мы расшифровываем микроскопические движения тонюсенькой, всего около 6 мм в поперечнике и около 0,05 мм толщиной, пленки кожи настолько точно, что слышим даже кашель второй скрипки в середине второй части произведения. Разве это не истинное чудо?

* * *

Итак, мы не видим звук как волну. Однако его «волнообразность» от этого меньше не становится. Наоборот, звуковые колебания ведут себя в точности как классические волны. В частности, ловко демонстрируют три способа изменения волнового направления: отражение, рефракцию и дифракцию.

Последние два, рефракция и дифракция, уж больно смахивают на абракадабру, придуманную сухарями-физиками — вполне возможно, так оно и есть. Но не стоит впадать в тоску раньше времени. Благодаря проявлениям свойств этих вездесущих волн мы постигаем мир. Разобравшись в их свойствах, вы овладеете всеми тонкостями наблюдения за волнами.

Мои домашние уже успели проникнуться к отражению, рефракции и дифракции известной долей уважения; отныне они называют эти явления не иначе как «Законы волны».

* * *

Начнем с отражения. Первый закон волны прост:

Волны при встрече с препятствием отскакивают.

Ну да, на открытие века не тянет. Однако выяснилось следующее: отскакивают волны в манере, гораздо более замысловатой, нежели мяч на площадке для игры в сквош, — вам такое и не снилось.

Кстати, именно тот факт, что звук отскакивает от стен, порождая эхо, впервые побудил мыслителей древности задуматься: а ведь звук вполне может иметь нечто общее с волнами на воде. Например, в конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион (более известный как просто Витрувий), размышляя о необходимости учитывать при проектировании театров отражение звука, предположил, что «голос же есть текучая струя воздуха», и она «соприкасаясь со слухом, ощущается им. Голос двигается по бесконечно расширяющимся окружностям, подобно тем бесчисленным кругам волн, какие возникают на спокойной воде, если бросить в нее камень…»^{40}