Б. А. Давыдов.
Вероятно, каждый радиолюбитель задавался вопросами: каким образом происходит передача музыки, речи, пения и т. д. с передающий радиостанции до его приемника? что происходит в пространстве между передающей и приемной станцией? для чего служат те тонкие проволоки, что натянуты на высоких мачтах радиостанций?
Забегая вперед, мы отчасти ответим на эти вопросы, сказав, что от этих высоко натянутых проволок (антенна) при работе радиостанции в окружающем пространстве распространяются особые невидимые электро-магнитные волны, при помощи которых и происходит передача речи, музыки и т. д.
Что же это за волны? Каким образом они образуются и распространяются в пространстве?
Много упорного труда положили ученые, чтобы открыть существование этих невидимых волн и научиться управлять ими. Постараемся и мы понять то, что говорит нам наука об этих электромагнитных волнах.
Для того, чтобы сделать это как можно успешнее, мы сначала займемся изучением возникновения и распространения волн вообще и в первую очередь волн видимых — волн на поверхности воды.
Каждый наблюдал, как от камня, брошенного в воду, расходятся по кругам волны. Когда эти волны доходят до какого-либо предмета, плавающего на воде, например, пробки, щепочки и т. д., то можно видеть, что этот предмет не будет двигаться, вправо или влево, и будет только качаться вверх и вниз, то поднимаясь на гребень волны, то опус- каясь в ее впадину. Какая-нибудь другая щепочка тоже будет колебаться вверх и вниз не смещаясь в стороны. Может получиться так, что в одно и то же время одна щепка будет находиться на гребне волны, другая — во впадине, а третья — где-нибудь на скате волны.
Раз наши щепочки не будут под действием волн смещаться в стороны, а только колебаться вверх и вниз, то это указывает на то, что и те частицы воды, на которых эти щепочки плавают, тоже только колеблются вверх и вниз, не смещаясь вправо или влево.
Из всего этого мы можем вывести заключение, что волна — это есть колебательное движение всех тех частиц, которые эту волну составляют.
Колебания эти происходят таким образом, что в то время, как одни частицы идут вверх, соседние с ними идут вниз, следующие — опять вверх и т. д.
Нечто подобное распространению волн на воде можно наблюдать, глядя в ветреную погоду на ржаное поле. Каждый колос качается на своем стебле, и мы видим, как по полю бегут волны, поле "волнуется".
Зададим теперь вопрос: отчего же возникают волны? В случае водяных волн мы знаем, что для того, чтобы вызвать на спокойной поверхности воды волны, нужно как-то нарушить это спокойствие, бросив, например, в воду камень или ударяя по воде прутиком. Тогда при каждом ударе прутиком частицы воды то опускаются вниз, то поднимаются вверх, увлекают в своем движении смежные частицы, и мы видим, как по воде бегут волны.
Здесь, таким образом, роль источника волн играют те частицы воды, которые колеблются вверх и вниз под ударами прутика.
Возьмем другой пример. Когда человек говорит или поет, то в горле у него в это время колеблются так называемые голосовые связки. Своими колебаниями они заставляют колебаться частицы воздуха, находящиеся в полости рта. Колебания этих воздушных частиц передаются соседним, эти, в свою очередь, передают их дальше, и, наконец, колебания воздушных частиц достигают нашего уха, и мы слышим то, что сказал или спел кто-то другой, находящийся на некотором расстоянии от вас. Звук здесь передался к нашему уху посредством воздушных волн.
Роль источника этих воздушных волн в данном случае играют колеблющиеся при пении или разговоре голосовые связки.
Из всего этого мы можем заключить, что для возникновения каких-либо волн, необходим какой-то предмет, который сам по себе совершает колебания и этими колебаниями вызывает в окружающей среде появление волн.
Черт. 1.
Чем же характеризуются колебания какого-либо тела?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, опишем такой опыт.
На тонкой спиральной пружинке висит шарик (черт. 1). В спокойном состоянии он находится в положении О (положение покоя). Оттянем его теперь вниз в положение 1 и затем отпустим. При оттягивании пружинка растянется, а затем, когда шарик отпущен, она начнет сокращаться и потянет шарик вверх. Двигаясь вверх, шарик опять дойдет до положения О, но, в нем не остановится, а по инерции проскочит его и дойдет до положения 2 сжав при этом пружинку. Сжатая пружинка начнет разжиматься и погонит шарик вниз. Дойдя в своем движении вниз до положения О, шарик опять проскочит его, дойдет до положения 3, начнет снова двигаться вверх и т. д., все время совершая колебания вверх и вниз около некоторого положения О (положения покоя).
Чтобы сделать дальнейшее изучение колебаний шарика более наглядным, посмотрим на черт. 2.
Черт. 2.
Примечание: В черт. 2 вкралась досадная опечатка: вместо ¾ должна быть ³/8; букву д нужно перенести на вдвое большее растояние от буквы г.
На нем по горизонтальной оси Оа отложено в условной мере время в секундах, т. е. отрезок Оа изображает ⅛ сек., отрезок Об, вдвое больший Оа, — ¼ сек., отрезок Ов — ³/8 сек. и т. д.
По вертикальной прямой ОB также в условной мере отложены в сантиметрах те расстояния, на которых находится шарик от положения покоя в различные моменты времени. Из этого чертежа видно, что спустя ¹/8 сек. после того, как шарик начал двигаться вниз, он отошел от оси ОА, соответствующей положению покоя на расстоянии в 3 см. (точка 1). Дойдя до этой точки, шарик пойдет вверх и через ¼ сек. после начала движения будет в точке б на оси ОА, т.-е. опять в положении покоя; в этом положении он не остановится, проскочит его по инерции и через ³/8 сек. после начала движения он будет в точке 2, отстоящей от оси ОА так же, как и точка 1, на 3 см. Это положение шарика соответствует положению 2 на черт. 1. Из этой точки шарик под влиянием сжатой пружины начнет двигаться вниз и попадет в точку г, в положение покоя, через ½ сек. после того, как он начал свое колебательное движение. После этого, как видно из чертежа, шарик будет двигаться совершенно так же, как он двигался из точки О.
То время в секундах, в течение которого шарик совершит полное колебание, наз. периодом колебания. В нашем случае период колебания, как видно из чертежа, равен ½ секунды, потому что от точки 1, соответствующей как раз промежутку времеви в ½ секунды, шарик в точности повторит свое движение и опять будет проходить через такие положения, через какие он проходил в течение первой полсекунды. Период обозначается буквой T. Число колебаний, которое успеет совершить шарик в течение одной секунды, наз. частотой колебаний и обозначается буквой f (эф). Из нашего чертежа видно, что за одну секунду шарик успеет сделать 2 полных колебания: одно от точки O до точки г и другое — от точки г до точки д.
Черт. 3.
Черт. 3 показывает нам характер движения шарика, совершающего полное колебание в течение ¼ секунды. (Период T = ¼ сек.).
Из чертежа видно, что в течение одной секунды шарик совершает 4 полных колебания (частота f = 4), т.-е. в этом случае шарик колеблется в два раза быстрее, чем в случае черт. 2.
Наибольшее удаление шарика от положения покоя (расстояние a1 или в2 на черт. 2) наз. амплитудой колебания. Как было сказано выше, колеблющееся тело является источником волн. Каким же образом возникают волны от колебаний какого-либо тела, об этом поговорим в следующем номере.