Резонанс

Кратко опишем еще одно явление, присущее волновым колебаниям. Для этого удобнее всего взять звуковые волны.

Камертон можно заставить колебаться. То же самое возможно и с диском, со струной, с воздушным столбом или с поверхностью стола. Если позволить любому из них колебаться свободно, то всякий станет колебаться на свой лад, в зависимости от своего размера и материала. Следовательно, для всякой вещи характерен определенный род колебаний. Числовой показатель периода таких колебаний или их частота называется частотой собственных колебаний. Ее обычно указывают на камертоне. Испытав удар, камертон должен звучать на одной отчетливой ноте, заданной периодом его собственных колебаний.

Если поднести камертон к уху, то звук будет довольно слабым; но если поместить камертон на столе или напротив окна, то звук

Р ис. 5. Камертон помещен на резонатор, который стоит на войлочных прокладках. Рядом молоток с резиновой головкой для удара по камертону.

Рис. 6, 7. Здесь представлены два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе. Расходящиеся круги изображают звуковые волны. Рис. 6 показывает, как вызванные ударом по камертону А звуковые волны приводят в движение камертон В. Из рис. 7 видно, что прикосновением резиновой головки можно остановить колебания камертона А и тем убедиться, что прежняя нота продолжает звучать, благодаря вибрации камертона В. Необходимая энергия усвоена камертоном В из звуков волн камертона А.

з начительно усилится. Камертон передает свою вибрацию соседнему предмету, который начинает колебаться похожим образом. Эти наведенные колебания порождают звук того же тона, и общая сила звука увеличивается. Длительность его, однако, сокращается, поскольку общее количество энергии осталось тем же самым. При этом подразумевается, что мы в обоих случаях ударили по камертону с равной силой.

Такой наведенный отзвук будет сильнее всего, если у отзывающегося предмета та же частота собственных колебаний, что и у камертона. Если поставить камертон на небольшой деревянный ящик, открытый с одной стороны и устроенный так, чтобы заключенный в нем воздушный столб имел ту же частоту собственных колебаний, что и камертон, то, ударив по камертону, мы получим значительное усиление звука. Это явление называется резонансом, а ящик — резонатором.

Итак, резонанс возникает, когда есть два предмета, способные колебаться в унисон. Для возникновения резонанса необязательно соприкосновение обоих вибрирующих предметов. Колебания могут передаваться в виде воздушных волн.

Рис. 8, 9. На рис. 8 представлены два разных камертона, А и С. Частота колебаний второго ниже, чем первого. Рис. 9 показывает, что С не отзывается на колебания А и что после остановки колебаний А наступает тишина. (Ради большей наглядности звуковые волны показаны более короткими, чем в действительности.)

Это подтверждается следующим опытом. Два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе, расположены на некотором расстоянии друг от друга. Достаточно ударить по А, чтобы В немедленно отозвался на той же ноте (рис. 6). Можно показать, что, остановив или даже убрав А (рис. 7), мы не прекратим звучания В. Продолжая опыт, мы можем начинать то с В, то с А, пока не убедимся, что звук способен передаваться в обоих направлениях между А и В.

Теперь, если вместо В мы возьмем камертон С, с периодом собственных колебаний, отличным от А, то результат опыта будет иным. От удара зазвучит только камертон А, после его остановки наступит тишина. Всякое звучание прекращается, потому что С не отзывается на колебания А. Следовательно, резонанс зависит от равенства периода собственных колебаний обоих камертонов. Только при этом условии один из них отзовется на колебания другого. Резонанс всегда сопровождается сильным поглощением энергии.

Я вление резонанса известно во всех областях, связанных с колебаниями и волнами. Порой с резонансом нужно считаться всерьез. Например, иногда он бывает причиной аварий. Всякую лодку особенно сильно качает, если длина волн соотносится с ее размерами (длиной или шириной). Мост может рухнуть, если по нему в ногу зашагают солдаты, и частота их шага будет близкой к частоте его собственных колебаний. Если частота собственных колебаний каких-нибудь деталей машины соотносится с числом оборотов ротора, то эти детали могут сломаться или разболтаться. Порой, когда резонансные колебания очень сильны, резонирующий материал не выдерживает. Рассказывают, что Карузо, забавляя своих гостей, брал со стола бокал и пел в него. Бокал разлетался вдребезги.

В то же время резонанс может быть полезным. Его используют в музыке, в акустике и при работе со светом и другими электромагнитными волнами.

Когда разные предметы освещаются белым (солнечным) светом, они выглядят разноцветными. Это происходит оттого, что некоторые цвета, составляющие белый свет, поглощаются в силу резонанса, а остальные цвета отражаются и воспринимаются как цвет данного вещества.

Для звездной астрономии очень важно следующее явление. Свет, излучаемый ядром солнца или звезды, должен пройти сквозь слои раскаленных газов, окружающих эти небесные тела. Согласно принципу резонанса, каждый газ поглощает ту часть светового спектра, частота которой характерна для частоты собственных колебаний этого газа. Поэтому, изучая спектрограммы излучений разных звезд, можно сделать выводы о составляющих их элементах. Поглощенные газами цвета не видны или сильно ослаблены на спектрограмме, что позволяет судить о химическом составе данной звезды.

Радиоволны, как и свет, являются электромагнитными колебаниями. Не будь резонанса, наши радиоприемники не могли бы работать. Каждая отдельная радиостанция передает сигнал определенной частоты. Настраивая приемник на желаемую станцию, мы приводим в соответствие собственную частоту приемника с частотой передаваемого ею сигнала. В то же время мы исключаем все другие частоты. В противном случае приемник стал бы принимать сразу несколько разных передач, отчего вышла бы полная неразбериха. Именно резонанс обеспечивает настройке точность, достаточную для приема любой желаемой передачи без помех со стороны других передач.

Все системы радиосвязи и радионавигации, охватывающие авиацию, ракеты и спутники, были бы невозможны без явления резонанса.

Световые или звуковые волны расходятся из точечного источника, словно радиусы из центра сферы. Фронты этих волн (волновые поверхности) всегда перпендикулярны направлению распространения, то есть образуют сферические поверхности, удаляющиеся от центра излучения. Интенсивность излучения неизбежно должна резко падать по мере отдаления от источника.

С другой стороны, если волны излучаются параллельно и поэтому не рассеиваются, интенсивность излучения сохраняется. Все волновые фронты создают плоскую поверхность, перпендикулярную направлению излучения: это достигается, между прочим, в луче лазера.

Когда атому сообщается некоторая энергия, он возбуждается, то есть поднимается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный атом неустойчив и стремится немедленно вернуться в свое обычное состояние. При этом он испускает энергию в виде света некоторой частоты, характерной для данного рода атомов.

Физики заметили также, что если свет от одного возбужденного атома задевает другие возбужденные атомы, то они могут испустить свет той же частоты, что и первоначальный. Этот вызванный свет совпадает с вызвавшим светом по направлению и по фазе. Мы говорим тогда, что атомное излучение когерентно или созвучно. Именно этот резонансный эффект положен в основу конструирования и использования лазеров.

Посредством лазеров физики смогли создать излучение с немыслимой прежде устойчивостью частоты. Испускаемый лазером луч света очень близок по форме к плоской волне и поэтому способен сохранять свою интенсивность в гораздо большей степени, чем обычный световой луч. Это позволяет пользоваться им в самых различных областях, от внутриглазных операций до космической связи.