Введение
Вы сидите на берегу залива и видите, как вдали проплывает катер. Через некоторое время вы замечаете около себя всплеск воды – это дошла волна от катера. Кажется, обычное дело. Но зададимся вопросом: что двигалось? Окажется, что ответить на него не так просто. До этого мы рассматривали перемещение материальных объектов – физических тел, к которым мы могли применить модель материальной точки. Но в случае с всплеском воды ситуация другая.
Разве здесь плещется та вода, которую «толкнул» катер? Нет. Если бы с катера бросали камни или пускали струю воды, они бы до нас не долетели, как ни старайся. Разве что пуля из огнестрельного оружия могла бы долететь. А тут простой всплеск от борта катера передается на такое расстояние. Все дело в том, что масса не передвигается: та вода осталась возле катера, а здесь плещется вода, которая так и была у берега. Распространяется изменение положения частиц вещества, и при этом передается энергия.
Передача энергии через излучение
Передача энергии на расстояние без перемещения массы – с этим в механике мы сталкиваемся впервые. Но вспомните тепловые явления и способы теплопередачи. Теплота может передаться при непосредственном контакте веществ и соударении молекул, а может передаваться не расстоянии, бесконтактно. В той модели нам было достаточно знать сам факт, что энергия передается через электромагнитное излучение (или электромагнитные волны). Мы эту энергию могли как-то измерить, но механизм распространения электромагнитных волн нас не интересовал. Но это по сути то же явление, о котором мы говорим сейчас: передача энергии при распространении волн. Электромагнитные волны мы сегодня рассматривать снова не будем, а вот механические рассмотрим.
Модель описания механических волн
Как мы обычно создаем модель? Мы замечаем в реальных явлениях что-то общее и выделяем его как некую идеализацию, отбрасывая все лишнее. Так мы сможем решение одной задачи с некоторой точностью применить сразу для всех явлений, в которых мы заметили это общее.
Пример: мы заметили нечто общее у движения качелей, воды в ванной, груза на пружине и маятника. Эти все движения повторяются с некоторой периодичностью, во всех случаях тело достаточно один раз толкнуть, и оно будет колебаться как бы само вокруг положения равновесия. Все перечисленное мы учли в модели колебаний, в частности свободных колебаний, которые мы рассмотрели подробнее всего.
Мы поговорили о волне на воде от проплывшего катера. Многие слышали о цунами – это волна, спровоцированная подводным землетрясением, оползнем или извержением вулкана. Если взять конец веревки и дергать, по нему тоже пойдет волна (см. рис. 1).
Рис. 1. Колебания веревки
Сначала один участок веревки поднялся, потом соседний, за ним следующий и т. д. Волна пойдет по пружине, если тоже ее дергать. Здесь тоже один участок пружины будет сжат, потом соседний и т. д. Оказывается, звук представляет собой волну, только сжимаются не участки пружины, а области воздуха.
Что мы имеем в виду под фразой «без передвижения вещества»
Мы говорим о том, что волна распространяется без передвижения вещества. Что мы имеем в виду, ведь вещество-то движется?
Действительно, при распространении волны на воде вода не замирает, как при штиле. Поплавок на воде прыгает, то есть движется. Каждый короткий участок веревки или пружины при распространении по ним волны тоже движется: в разном направлении. Но что это за движение? В каждом случае это колебания вокруг положения равновесия. Это не то движение, когда некоторая масса воды была у катера, а оказалась вместе с волной у берега. Такого перемещения не происходит. Это мы и имеем в виду, что вещество не движется вместе с распространением волны и с той же скоростью, вещество только колеблется вокруг положения равновесия, оставаясь после прохождения волны на прежнем месте.
Все эти примеры похожи тем, что нечто передается от точки к точке, от одного участка вещества к другому, без перемещения самого вещества. В данном случае передающееся нечто – это изменение взаимного расположения частиц вещества и, как следствие – давления, отклонения, локальной скорости. Все эти параметры можно отнести к механическим, поэтому дадим этим отклонениям короткое название – механическое возмущение (см. рис. 2).
Рис. 2. Распространение механического возмущения
В таком случае назовем процесс его распространения механическими волнами, на них мы сегодня остановимся. В общем случае возмущение может быть не только механическим.
Какие возмущения могут распространяться?
Волны – это распространение возмущения, причем возмущение может быть любым. Это может быть механическое возмущение, о котором мы сегодня говорим: изменение взаимного расположения частиц вещества. Может быть изменение параметров электромагнитного поля, его распространение – электромагнитная волна.
Возмущением может быть включенная лампочка гирлянды, и, когда это возмущение распространяется от одной лампочки к другой – это волна.
Другие примеры волн: волна, которую пускают зрители на стадионе, волна выгорания травы, волна по ряду костей домино. Все они являются распространением возмущения, изменения некоторого параметра. Этот параметр – положение зрителя (сидит/встал), состояние травы (горит/не горит), положение кости домино (стоит/упала).
Так же волнообразно продвигается очередь. Один человек отошел, образовалось свободное место – можно считать его таким возмущением. Каждый человек сделал по одному шагу вперед – и как будто свободное место переместилось в конец очереди, распространилась волна.
Мы изучаем распространение смещения частиц вещества – понятно, что для этого нужно вещество, иначе нечему смещаться. И понятно, почему в открытом космосе или где-нибудь на Луне не слышно звуков: космонавты не могут общаться без специальных устройств, они не слышат звуков от взрывов и ударов вдали от себя. Ведь там нет вещества. Или почти нет, но те считаные молекулы не могут создать волну.
Причем, чтобы волна распространялась, смещение одного участка должно вызывать силы, которые заставят смещаться соседний участок. Это требуемое свойство среды назвали упругостью – вы помните, мы изучали силы упругости, которые возникают при деформации или смещении частиц вещества. А волны, которые распространяются по упругой среде, иногда называют упругими.
Теперь понятно, почему не получится сыграть на ненатянутой гитарной струне – не возникает сила упругости. А если веревка не натянута, то по ней можно пустить волну резким рывком – так мы создаем упругое натяжение вблизи самого возмущения (см. рис. 3).
Рис. 3. Упругое натяжение при создании колебания
У рыхлого снега плохая упругость, поэтому, если мы бросим в него камень, от него не пойдут круги, как по воде. И поэтому же звук через него проходит приглушенным, как и через вату.
Чтобы перейти к строгому математическому описанию, еще ограничим нашу модель. Вот есть одиночное возмущение, и оно распространяется: волна по веревке, цунами. А что, если мы будем концом веревки совершать колебания? Периодически повторяющемуся возмущению ничего не мешает тоже распространяться. И такие волны тоже встречаются очень часто. Звук – это распространение колебаний. Брошенный в воду камень создает не один круг на воде, а несколько, то есть передаются колебания. Таким образом, мы определились с моделью: рассматриваем механические волны, которые представляют собой распространение механических колебаний.
Математическое описание механических волн
Волны разные: одни распространяются быстро, другие медленно, характер движения частиц разный – как это все сравнивать?
Начнем с того, что мы уже умеем. Распространяется колебательное движение, и его мы умеем описывать. То, насколько сильно частицы отклоняются от положения равновесия, мы характеризуем амплитудой колебаний.
Амплитуда колебаний – это максимальное смещение колеблющейся точки от равновесного положения. То есть, если мы дергаем веревку на 10 см вверх и на 10 см вниз, будут распространяться колебания с амплитудой 10 см. То, насколько часто повторяются колебания, характеризуется частотой и периодом колебаний (см. рис. 4).
Рис. 4. Амплитуда колебаний веревки
Период колебаний – это время, за которое совершается одно полное колебание.
Частота колебаний – это количество полных колебаний за единицу времени.
Если вы дергаете веревку 2 раза за секунду, то частота таких колебаний равна 2 Гц. Это значит, что одно полное колебание будет совершено за 
, это период колебаний.
Сравните рябь на воде и крупные волны. Понятно, что они отличаются не только амплитудой. Удобно ввести величину, равную расстоянию между соседними гребнями – здесь оно больше, здесь меньше. Такую величину назвали длиной волны. Строго говоря, это расстояние не только между соседними гребнями, но и между соседними «впадинами», и вообще между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одинаковой фазе (см. рис. 5).
Рис. 5. Длина волны
Волна распространяется с течением времени, и естественно говорить о скорости ее распространения – волна распространяется быстро или медленно. Скорость мы задали как перемещение за единицу времени.
Считаем, что волна распространяется равномерно. «Перемещение за единицу времени» – что же перемещается? С движением материальной точки все понятно: точка была здесь, а переместилась сюда. Но здесь распространяются колебания и передается энергия – как это измерить? Внимательнее проследим за волной на воде. Точка совершает колебание. Чтобы удобнее было следить, заметим момент, когда отклонение максимально – в данной точке гребень волны (см. рис. 6).
Рис. 6. Движение точки относительно максимального положения
Волна распространяется дальше, и уже другая точка совершает колебания в этой же фазе и находится на гребне. И хотя ничего материального в данном направлении не переместилось, мы можем считать, что «переместились» колебания. Вот это перемещение за единицу времени – это и есть скорость распространения волны.
Точка снова находится на гребне волны. Она совершила одно полное колебание, значит, прошло время Т, равное периоду (см. рис. 7).
Рис. 7. Колебание точки за единицу времени
Какое расстояние за это время прошел гребень? Расстояние длиной волны 
. То есть волна прошла расстояние за время 
– можем записать удобную формулу для скорости:
Очевидно, что колебания пружины отличаются от колебаний веревки. В первом случае вещество колеблется вдоль направления распространения волн, а во втором – перпендикулярно ему. Чтобы их отличать, такие волны назвали, соответственно, продольными и поперечными. Оба этих вида волн можно описать с помощью тех физических величин, которые мы только что ввели.
Волны на поверхности воды: продольные или поперечные?
Мы выделили два типа волн, продольные и поперечные. Это идеализация, в реальности нельзя найти колебания в направлении, строго перпендикулярном распространению волны или в строго параллельном. Но с некоторой точностью многие волны можно отнести к одному или второму типу.
Что же с волнами на поверхности воды? Очевидно, что точки поверхности движутся вверх-вниз. Но смотрите: чтобы поверхность воды поднялась вверх, чтобы образовался вот такой горб, в этом месте должно стать больше воды. Поверхность не может просто подняться, оставив под собой пустоту, как веревка. Откуда вода там возьмется? Она перетечет из соседней области, где образуется впадина волны (см. рис. 8).
Рис. 8. Распространение волн по поверхности воды
Такое перетекание – это движение в направлении распространения волны, что характерно для продольных волн. Таким образом, точки поверхности воды совершают движения, которые больше похожи на круговые, чем на колебания вдоль одного отрезка. Эти волны имеют признаки и продольных, и поперечных волн.
Тем не менее мы можем применять для них те же инструменты, что для остальных волн: длину волны, период, скорость распространения. И когда мы рассматривали скорость распространения волны и связывали ее с длиной волны и периодом, мы справедливо пренебрегли продольной составляющей. Волна пройдет расстояние, равное длине волны, за время, за которое точка проделает одно полное колебание, независимо от его траектории.
Упругие поперечные волны могут распространяться только по твердым телам, а продольные – и по газам, и по жидкостям, и по твердым телам тоже. Это распространяются чередующиеся области продольного сжатия и растяжения. Звук как раз относится к продольным волнам.
Задача 1
Отдыхающий на пляже турист насчитал за 1 минуту 15 ударов волн о берег. Плавая и ложась на воду во весь рост, он как раз помещается в расстояние между соседними гребнями. Найдите скорость волны, если рост туриста составляет 170 см.
Анализ условия. В задаче описаны волны на воде, выражение для скорости волны мы только что получили, можем пользоваться им в готовом виде:
Осталось разобраться с частотой и длиной волны.
Физическая часть решения. Длина волны – это расстояние между соседними точками, которые колеблются в одной фазе, например между двумя гребнями. По условию задачи, это расстояние равно росту туриста, 1,7 м. Частота колебаний по определению равна количеству колебаний за единицу времени. То есть если за время t происходит N колебаний, то частота равна:
Осталось решить эти простые уравнения. Подставим выражение для частоты в первое уравнение:
Подставим значения в СИ и вычислим:
Получили ответ, 42,5 см за секунду, задача решена.
Звук
Мы говорили, что звук – это такая же продольная механическая волна, как и другие, но упоминаем о нем как будто отдельно. Ее особенность в том, как мы ее воспринимаем. Как мы воспринимаем любые колебания и их распространение – волны? Если колеблется что-то непрозрачное, их можно увидеть, разве что кроме вибраций с совсем малой амплитудой и большой частотой. Многие такие вибрации еще можно почувствовать на ощупь.
Колебания с некоторыми частотами мы воспринимаем по-особенному: они у нас вызывают слуховые ощущения. А именно, колебания с частотой приблизительно от 20 до 20 000 Гц. Распространение таких колебаний (волны) мы называем звуком. Волны с частотой меньше 20 Гц назвали инфразвуком, а с частотой больше 20 000 Гц – ультразвуком. Ни те, ни другие волны человек слышать не способен.
Подробнее о слухе
Поговорим кратко о механизме, как и что мы слышим. Колеблется некоторое тело. Эти колебания распространяются: идет волна, и тело является ее источником. Волна доходит до барабанной перепонки, заставляет и ее колебаться с этой же частотой. Эти колебания барабанной перепонки передаются через достаточно сложную систему среднего и внутреннего уха, преобразуются в нервные импульсы, которые передаются в мозг. Об устройстве уха более подробно лучше поговорить на уроках биологии, сейчас главное, что в итоге те колебания мы воспринимаем как звук. Это восприятие субъективно, оно зависит от анатомии уха, от нервной системы каждого человека, а они могут отличаться у разных людей и изменяться, например с возрастом. Поэтому мы и сказали «приблизительно от 20 до 20 000 Гц», говоря о границах диапазона.
Мало того, даже в пределах диапазона восприимчивость человека к звукам может отличаться на разных частотах. То есть две волны с одинаковыми ваттами на квадратный сантиметр и с разными частотами мы воспримем как звуки с разной громкостью. Наиболее громко мы воспринимаем звуки на частоте около 1 кГц, и это полезное эволюционное приобретение. 1 кГц – это как раз близко к частоте плача ребенка, и как раз от него, наиболее беспомощного, сигналы об опасности наиболее важны. Так что, если услышите очень громкий детский плач, знайте: это механизмы эволюции так сделали, чтобы вы скорее прибежали на помощь.
Для волн на воде мы считали гребни в штуках, засекали время, измеряли расстояния и получали метры, секунды и герцы. Когда мы слышим звук, то герцы не считаем, мы ощущаем то, для чего придумали понятия «громкий – тихий», «звонкий – глухой», «высокий – низкий». Чтобы описывать звук как остальные механические волны, разберемся, каким физическим величинам соответствуют наши ощущения.
То, что мы воспринимаем как громкость звука, – это амплитуда колебаний. Выглядит логично, что чем с большей амплитудой колеблется барабанная перепонка, тем сильнее звуковое ощущение, тем громче воспринимается звук. Частоту мы воспринимаем как высоту звука. Звуки с низкой частотой мы воспринимаем как низкие. Кстати, самый низкий мужской голос называется бас, происходит от итальянского basso – «низкий». Звуки с высокой частотой воспринимаются как высокие. По-итальянски sopra означает «над, сверх», а высокий женский голос называется сопрано.
Те примеры звука высокой и низкой частоты, которые вы слышали, – это гармонические колебания одной определенной частоты. График таких колебаний – синусоида (см. рис. 9).
Рис. 9. График гармонических колебаний давления воздуха
Это не форма волны (волна ведь продольная), это отклонение давления от равновесного значения. Так вот, такой звук воспринимается как «пустой» и «плоский». Человеческие голоса, музыкальные инструменты звучат не так. Чем они отличаются (см. рис. 10)?
Рис. 10. График колебаний давления воздуха при распространении реального звука с определенным тембром
Они состоят не из одной идеальной синусоиды, они содержат несколько таких синусоид разных частот, которые накладываются друг на друга.
Сложение волн
Чаще всего реальные звуки – это не идеальные синусоиды, а результат сложения нескольких синусоид с разными частотами, они как бы накладываются друг на друга. Что значит «накладываются» и что значит «сложение», если мы говорим о волнах?
Механическая волна – это распространение колебаний, а колебания – это механическое движение. Да, это движение повторяется с некоторой периодичностью, но все равно остается движением. Значит, к нему можно применить принцип относительности Галилея и закон сложения скоростей. Это дает нам право в скорость и перемещение тела в любой момент времени считать суммой двух других перемещений. Например, если мы прыгаем на батуте и машем рукой, то относительно земли скорость руки равна векторной сумме нашей скорости как целого и скорости руки относительно нашего тела.
Если одной точки достигают две волны, то каждая из них вызовет колебания точки и эти колебания так же складываются (см. рис. 11).
Рис. 11. Сложение волн.
Что будет в результате? Если отклонения точки, вызванные каждой волной, совпадут, то суммарное отклонение будет большим, они по модулю сложатся. Если они будут направлены в противоположные стороны, то по модулю вычтутся, суммарное отклонение будет небольшим. При этом, если частоты волн не совпадают, то эта картинка будет постоянно меняться и колебания будут происходить вразнобой (см. рис. 12).
Рис. 12. Сложение волн, когда их частоты разные
А если частоты совпадают, то картинка будет постоянной, колебания в данной точке будут или все время усиленными, или все время ослабленными (см. рис. 13).
Рис. 13. Сложение волн, когда их частоты совпадают
Такой результат сложения волн назвали интерференцией. Более подробно мы изучим ее в старших классах, а сейчас мы рассмотрели, как вообще происходит это явление.
Есть одно основное колебание на некоторой частоте, эта частота определяет высоту звука и называется основным тоном. На него накладываются колебания меньшей амплитуды и большей частоты. Эти колебания называются обертонами – их может быть несколько, и они определяют тембр звука – то, что обеспечивает узнаваемость.
Что касается других характеристик (длины волны, скорости распространения волн), то они так же применимы к звуку, как и к другим волнам. Скорость звука в среде можно измерить, и она для каждой среды определяется ее механическими свойствами: плотностью, упругостью и т. д. Например, в воздухе скорость звука равна примерно 340 м/с. Примерно – потому что это значение может изменяться в зависимости от давления, влажности, температуры. Но для грубых расчетов можно брать это значение. В более плотных средах взаимодействие между частицами вещества сильнее и возмущение между ними передается быстрее. Например, скорость звука в воде равна 1483 м/с, а в стекле – 5500 м/с. Эти значения можно посмотреть в справочнике.
Колебания, а вместе с ними и энергия, передаются без перемещения вещества, и это гениальное изобретение природы мы используем, передавая информацию через звуки. Когда мы общаемся, вашу барабанную перепонку толкает не тот же воздух, который толкнули мои голосовые связки. Передавать информацию не через вещество, а с веществом было бы энергозатратно. Сравните, как до вас достигает запах обеда из кухни (вспомните о диффузии) и как достигает звон посуды: понятно, что быстрее и легче.
Многие животные передают информацию с помощью звуков. У большинства из них это выражение простых эмоций или сообщений: радостный лай собаки, расслабленное мурлыканье кошки, крик об опасности обезьяны. Мы же создали целую систему знаков – речь, с помощью которой мы передаем намного более сложную и емкую информацию.
Использование волн для передачи информации
Мы приспособились передавать информацию с помощью механических волн – звука. Нельзя сказать, что мы до этого именно додумались, скорее, до этого «додумалась» природа, и этот механизм выработался у многих животных в процессе эволюции. В чем большая заслуга человеческого ума – это в использовании речи. То есть мы выработали такую систему знаков, которая позволяет нам передавать намного более сложные сообщения, чем простое выражение эмоций.
Но и речь – это не единственное применение волн для передачи информации. Людей издавна оповещали об опасности или созывали на собрания звоном в колокол. Сейчас это сохранилось в виде сирен.
Был еще такой способ передачи информации. Каждые несколько километров в пределах прямой видимости ставились наблюдательные посты, на которых было заготовлено горючее наподобие бочек со смолой. Если на пограничном посту замечали наступление врага, то поджигали бочку – это было сигналом. На соседнем посту, увидев огонь, поджигали свою бочку, и так далее по цепочке – вот вам и распространение волны. Возмущение здесь – это огонь. И такое оповещение оказалось намного быстрее, чем если бы с новостью о нападении или с факелом в руках в столицу бежал пограничник.
Отдельного внимания заслуживают электромагнитные волны. Начнем с того, что свет представляет собой электромагнитные волны и через них передается вся информация, которую мы воспринимаем через зрение. К тому же человек активно использует электромагнитные волны в технике: во всей беспроводной связи, от аналогового радио и телевидения до мобильной связи, от радаров до навигаторов, используется передача информации через электромагнитные волны.
И последнее, что мы сегодня рассмотрим: механическая волна распространяется в однородной среде. Изменится ли что-то, если она попадет на границу двух сред с разными механическими свойствами? Оказывается, от такой границы волна полностью или частично отражается. Волна на воде отражается от скалы, волна, идущая по пружине, отражается от закрепленного края пружины. Нам интереснее всего рассмотреть, как звук отражается границы двух веществ и к чему это приводит.
Зная об отражении звука, мы понимаем, почему за закрытой дверью плохо слышно, что происходит в комнате. Казалось бы, древесина, из которой сделана дверь, хорошо проводит звук, лучше воздуха. Но все дело в границе воздуха и древесины, а их здесь две. От каждой звук частично отражается, и слушателя достигает лишь небольшая часть (см. рис. 14).
Рис. 14. Распространение звука через закрытую дверь
Если мы издали звук, хлопнули в ладоши, то он может от чего-то отразиться и вернуться к нам, и мы его еще раз услышим – возможно ли такое? Возможно, и вы наверняка с таким сталкивались. Это явление назвали эхо.
Чтобы наблюдалось эхо, нужно подходящее препятствие для звуковой волны. Звук хорошо отразится от упругого препятствия. Висящее одеяло плохо проводит звук, поэтому оно его просто поглотит, колебания в нем быстро затухнут. Поэтому вы скорее услышите эхо в горах, чем в лесу. Зная сам факт, что звук отражается от упругих препятствий, мы уже можем решить задачу про эхо, все инструменты для этого у нас есть.
Задача 2. Эхолокация
В горах мы отрывисто крикнули (см. рис. 15). Через какое время мы услышим эхо, если расстояние от крупной отвесной скалы 500 м?
Рис. 15. Эхо
Анализ условия.В задаче описано распространение звука, его мы можем описать уравнениями для равномерного прямолинейного движения. Скорость звука в воздухе известна, 340 м/с. Эхо – это звук, отраженный от препятствия. То есть звук распространился от нас до скалы, отразился от нее и распространился от скалы к нам. То есть расстояние 
от нас до скалы звук преодолел дважды: туда и обратно. И это произошло за время 
между вскриком и эхом, его и надо найти.
Опишем этот процесс в виде уравнений – это физическая часть решения задачи. Скорость звука – это путь, деленный на время. Как мы уже определили, путь звука равен 
. Запишем:
Осталось только выразить и найти время :
Вычислим:
Эхо мы услышим почти через 3 секунды, задача решена. В этой простой задаче мы связали время отклика эха с расстоянием до препятствия. В горах эти расстояния больше, и мы слышим большую задержку между исходным звуком и эхом. В пустой комнате звук тоже хорошо отражается от стен, но размеры комнаты малы, поэтому эхо здесь тоже есть, но оно сливается с начальным звуком, вы наверняка знаете этот эффект пустой комнаты. В комнате, обставленной мебелью, этот эффект проявляется меньше, и в повседневной жизни он нам не мешает. Но при профессиональной звукозаписи и это стараются свести к минимуму, используя специальные звукопоглотители.
Так вот, мы связали время отклика эха с расстоянием до препятствия, и это можно использовать! Этот принцип положен в основу эхолокации – это определение положения объекта по отраженной волне, в данном случае звуковой. Таким образом ориентируются в пространстве летучие мыши: им не нужен солнечный свет, они «видят» по-другому. Они испускают короткие звуки и слушают их отражение от окружающих предметов.
Время до отклика очень короткое, к тому же надо хорошо ориентироваться, с какого направления пришел отраженный звук – это их орган слуха хорошо приспособился делать в процессе эволюции. Эхолокацию используют также дельфины, некоторые птицы. Мы научились использовать этот же принцип в технике: так мы исследуем морское дно с помощью эхолота или получаем изображение внутренних органов с помощью аппарата УЗИ.
Применения ультразвука
Начнем с того, почему используется именно ультразвук. Мы сегодня об этом не говорили, но волны имеют свойство, они могут огибать препятствия на своем пути, это явление назвали дифракцией. Судите сами: вы хорошо слышите звуки, доносящиеся из-за забора, хотя напрямую оттуда волны распространиться к вам не могут. Причем чем больше длина волны, тем большего размера препятствие волна огибает.
Для эхолокации нам не нужно, чтобы волна огибала препятствие и от него отражалась. Поэтому для четкой картинки и для обнаружения мелких препятствий нужно использовать волны с малой длиной волны, а это и есть ультразвук.
По тому же принципу эхолокации, что используют летучие мыши, работает эхолот – прибор для исследования морского дна. Отличие в том, что этот метод реализован технически: есть излучатель, приемник, измеряется время задержки и строится картинка. То, что волна распространяется не в воздухе, а в воде, большой роли не играет, отличается лишь скорость распространения и выбор частоты, принцип остается тем же.
На том же принципе построен прибор УЗИ – ультразвукового исследования. В организме человека органы не являются такими четкими неоднородностями, как скалы в воде или деревья в воздухе. Их плотности мало отличаются друг от друга, поэтому чувствительность аппарата должна быть высокой. Зато от таких нечетких границ волна отражается частично, остальная часть проходит дальше и может отразиться от следующей границы. Это значит, что мы можем исследовать несколько органов, находящихся один за другим.
Люди, потерявшие зрение, используют принцип эхолокации даже без технических средств. Вы, наверное, знаете, что они ходят с тростью и постукивают ею перед собой. Оказывается, они ею не только ощупывают препятствия, важны именно эти постукивания. Они ориентируются по этому звуку постукиваний, отраженному от окружающих предметов. Конечно, они не засекают время отклика и не вычисляют расстояния, но на уровне ощущений по звукам они понимают: здесь что-то есть.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд., передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика, 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Домашнее задание
- Какова длина звуковой волны ноты ля, если частота колебаний равна 440 Гц, а скорость звука в воздухе 340 м/с?
- Когда мы ставим на плиту кастрюлю с водой или включаем электрический чайник, то по звуку легко определяем момент закипания воды. Вначале раздается небольшое шипение, которое постепенно нарастает, а затем уступает место более резкому звуку. Перед самым же кипением этот звук ослабевает и становится мягче. Как вы можете объяснить происхождение этих звуков, особенно смягчение звука, перед тем, как вода закипит?
