О КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ

0 942
0

О КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ

Вокруг нас все время рождаются в затухают колебательные явления. Колеблется ветка" с которой слетела птица. Колеблются маятники часов, качели. Под действием ветра колеблются деревья, провода, подвешенные на столбах, колеблется вода в озерах и морях.

Вот ты бросил па гладкую поверхность озера камень, н от него побежали волны (рис. 1). Что произошло? Частицы воды в месте удара камня вдавились, вытеснив вверх соседние частицы, - на. поверхности воды образовался кольцеобразный горб. Затем в месте падения камня частицы воды поднялись горбом вверх, но уже выше ее прежнего уровня - за первым горбом появился второй, а между ними - впадина. Далее частицы воды продолжают перемещаться попеременно вверх и вниз -колеблются, увлекая за собой все больше и больше соседних частиц воды. Образуются волны, расходящиеся от места своего возникновения концентрическими кругами.

Подчеркиваю: частицы воды только колеблются, но не движутся вместе с волнами. В этом нетрудно убедиться, бросив на колеблющуюся поверхность воды щепку. Если нет ветра или течения воды, щепка будет лишь опускаться и подниматься над уровнем воды, не перемещаясь вместе с волнами.

Водяные волны могут быть большими, т. е. сильными, или маленькими -слабыми. Сильными мы называем такие волны, которые имеют большой размах колебаний, как говорят, большие амплитуды колебаний. Слабые волны имеют малые горбы - небольшую амплитуду. Чем больше амплитуды возникших волн, тем большую энергию они несут в себе. Энергия волн, возникших от брошенного камня, относительно невелика, однако она может заставить колебаться камыш и траву, растущие в озере. Но мы знаем, какие большие разрушения берега могут производить Морские волны, обладающие большими амплитудами и, следовательно, большой энергией.

Эти разрушения осуществляются именно той энергией, которую волны непрерывно отдают берегу.

Волны могут быть частыми и редкими. Чем меньше расстояние между гребнями бегущих волн, тем короче каждая взятая в отдельности волна. Чем больше расстояние между волнами, тем длиннее каждая волна. Длиной волны на воде мы называем расстояние между двумя соседними бегущими гребнями или впадинами. По мере удаления волн от места возникновения их амплитуды постепенно уменьшаются, затухают, но длина волн остается неизменной.

Волны на воде можно также создавать, например, палкой, погрузив ее в воду и ритмично, в такт с колебаниями воды, то опуская, то поднимая. И в этом случае волны будут затухающими. Но существовать они будут до тех пор, пока мы не прекратим возмущать поверхность воды.

А как возникают колебания качелей? Это ты хорошо знаешь: надо лишь подтолкнуть их, вот они и будут колебаться из стороны в сторону. Чем сильнее толчок, тем больше амплитуды колебаний. Такие колебания тоже будут затухающими, если не поддерживать их дополнительными толчками. Такие и многие другие механические колебания мы видим. В природе же больше невидимых колебаний, которые мы слышим, ощущаем в виде звука. Не всегда, например, можно заметить колебания струны музыкального инструмента, но мы слышим, как она звучит. При порывах ветра в трубе возникает звук. Его создают колебательные движения воздуха в трубе, которые мы не видим. Звучат камертон, стакан, ложка, тарелка, ученическое перо, лист бумаги - они тоже колеблются.

Да, юный друг, мы живем в мире звуков, потому что многие окружающие нас тела, колеблясь, звучат. Сами же звуки - это результат распространения в воздухе колебательных движений его частиц. Их мы не видим. А как возникают звуковые волны в воздухе?

Воздух состоит из невидимых глазом частиц. При ветре они могут переноситься на большие расстояния. Но они могут и колебаться. Например, если в воздухе сделать резкое движение палкой, то мы почувствуем легкий порыв ветра и одновременно услышим слабый звук. Звук этот - результат колебаний частиц воздуха, возбужденных колебаниями палки.

Проведи такой опыт. Оттяни струну, например, гитары, а потом отпусти ее. Струна начнет дрожать - колебаться около своего первоначального положения покоя. Достаточно сильные колебания струны заметны на глаз. Слабые колебания струны можно только "почувствовать" как легкое щекотание, если прикоснуться к ней пальцем. Пока струна колеблется, мы слышим звук. Как только струна успокоится, звук затихнет.

Рождение звука колеблющейся струной обязано "сгущению" и "разрежению" частиц воздуха. Колеблясь из стороны в сторону, струна теснит, как бы прессует перед собой частицы воздуха, образуя в некотором его объеме области повышенного давления, а сзади, наоборот, области пониженного давления. Это и есть звуковые волны. Распространяясь в воздухе со скоростью около 340 м/с, они несут в себе некоторый запас энергии. В тот момент, когда до уха доходит область повышенного давления звуковой волны, она надавливает на барабанную перепонку, несколько прогибая ее внутрь. Когда же до уха доходит разреженная область звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Барабанная перепонка все время колеблется в такт с чередующимися областями повышенного и пониженного давления воздуха. Эти колебания передаются по слуховому нерву в мозг, и мы воспринимаем их как звук. Чем больше амплитуды волн, тем больше энергии несут они в себе, тем громче воспринимаемый нами звук.

Звуковые волны, так же как и водяные, изображают условно волнистой линией -синусоидой. "Горбы" такой кривой соответствуют областям повышенного давления, а "впадины" - областям пониженного давления воздуха. Область повышенного давления и следующая за нею область пониженного давления образуют звуковую волну.

Но мы, кроме того, живем в мире электромагнитных колебаний, излучаемых проводами и электрическими приборами, в которых течет переменный ток, огромным числом антенн радиостанций, атмосферными электрическими разрядами, недрами Земли и бесконечным Космосом. Только с помощью приборов, созданных человеком, электромагнитные колебания могут быть обнаружены и зафиксированы.

ПЕРИОД И ЧАСТОТА КАЛЕБАНИЙ

Важнейшей характеристикой механических, электрических, электромагнитных и всех других видов колебаний является период-время, в течение которого совершается одно полное колебание. Если, например, маятник часов-ходиков делает за 1 с два полных колебания, период каждого колебания равен 0,5 с. Период колебаний больших качелей - около 2 с, а период колебаний струны может быть от десятых до десятитысячных долей секунды.

Другой величиной, характеризующей колебания, является частота (от слова "частое-число, показывающее, сколько полных колебаний в секунду совершают маятник часов, звучащие тела, ток в проводнике и т. п. Частоту колебаний оценивают единицей, носящей название герц (сокращенно пишут: Гц): 1 Гц-это одно колебание в 1 с. Если, например, звучащая струна совершает 440 полных колебаний в 1 с (при этом она создает тон "ля" первой октавы), говорят, что частота ее колебаний 440 Гц. Частота переменного тока электроосветительной сети 50 Гц. При таком токе электроны в .проводниках в течение 1 с текут попеременно 50 раз в одном направлении н столько же раз в обратном, т. е. совершают за 1 с 50 полных колебаний.

Более крупные единицы частоты-килогерц (пишут: кГц), равный 1000 Гц, и мегагерц (пишут: МГц), равный 1000 кГц, или 1000000 Гц.

По частоте колебаний звучащего тела можно судить о тоне, или высоте звука. Чем больше частота, тем выше тон звука, и, наоборот, чем меньше частота, тем ниже тон звука. Наше ухо способно реагировать на сравнительно небольшую полосу (участок) частот звуковых колебаний - примерно от 20 Гц до 20 кГц. Эта полоса вмещает всю обширнейшую гамму звуков, создаваемых голосом человека и симфоническим оркестром: от очень низких тонов, похожих на звук жужжания жука, до еле уловимого высокого писка комара. Колебания частотой до 20 Гц, называемые инфразвуковыми, и свыше 20 кГц, называемые ультразвуковыми, мы не слышим. А если б наше ухо оказалось способным реагировать и на ультразвуковые колебания, мы, возможно, могли бы слышать колебания пестиков цветов, крылышек бабочек.

Не путай высоту, т. е. тон звука, с силой его. Высота звука зависит не от амплитуды, а от частоты колебаний. Толстая и длинная струна, например, создает низкий тон звука, т. е. колеблется медленнее, чем тонкая и короткая струна, создающая высокий тон звука. Разобраться в этом вопросе тебе поможет рис.2.

О КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ

 
Чем больше частота колебаний струны, тем короче звуковые волны и выше тон звука.

В электротехнике и радиотехнике используют переменные токи с частотой от нескольких герц до тысяч мегагерц. Антенны радиовещательных станций, например, питаются токами частотой примерно от 150 кГц до 50-60 МГц. Эти быстропеременных токи в являются тем средством, с помощью которого осуществляется передача звука на большие расстояния без проводов. Весь огромный диапазон переменных токов принято подразделять на несколько участков-поддиапазонов. Токи сравнительно небольших частот, в пределах от 20 Гц до 20 кГц, называют токами, звуковой (или низкой) частоты, так как они соответствуют частотам звуковых колебаний, а переменные токи частотой 20 кГц и больше - токами ультразвуковой частоты. В то же время токи частотой от 100 кГц до 30 МГц принято называть токами высокой частоты, а токи частотой выше 30 МГц -токами ультравысокой и сверхвысокой частоты.

Запомни хорошенько границы и названия поддиапазонов частот переменных токов.

 

РАДИОВОЛНЫ

Предположим, ты снимаешь трубку телефонного аппарата, набираешь или называешь нужный номер. Вскоре ты слышишь голос товарища; а он - твой. Какие электрические явления происходят во время вашего телефонного разговора?

Звуковые, колебания воздуха, созданные тобой, преобразуются микрофоном я электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются х аппарату твоего собеседника. Там, на другом конце линии, они с помощью телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые твоим приятелем как звуки. В радиовещании, как и в телефонии, микрофон я телефон или головка громкоговорителя являются конечными звеньями цепи радиопередачи в радиоприема. Но средством, связывающим их, служат не провода, а радиоволны.

"Сердцем" передатчика любой радиостанции является генератор колебаний высокой частоты. Он вырабатывает (генерирует) ток высоком, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Этот ток, усиленный до необходимой мощности поступает в антенну и возбуждает в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания той же частоты - радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света:

300000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1/30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего лишь на 10м.

Радиоволны распространяются не только в воздухе, но я там, где его нет, например в космическом пространстве. Этим они коренным образом отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода. Когда радиовещательная станция начинает свои передачи, диктор иногда сообщает, что данная радиостанция работает на волне такой-то длины. Волну, бегущую по поверхности воды, мы видим и при известной ловкости можем измерить ее длину. Длину же радиоволн можно измерить только с помощью специальных приборов или рассчитать математическим способом, если мы знаем частоту тока, возбуждающего эта волны.

Длина радиоволны-это расстояние, на которое распространяется Энергия электромагнитного поля за период колебания тока в антенне радиостанции. Понимать это надо так. За время одного периода тока в антенне передатчика в пространстве вокруг нее возникает одна радиоволна. Чем выше частота тока, тем больше следующих друг за другом радиоволн излучается антенной в течение каждой секунды. Допустим, частота тока в антенне радиостанции составляет 1 МГц. Значит период этого тока и рожденного ям электромагнитного поля равен одной миллионной доле секунды. За 1 с радиоволна проходит расстояние 300000 км, или 300000000 м. За одну миллионную долю секунды она пройдет расстояние в миллион раз меньше, т. е. 300000000:1000000. Следовательно, длина волны данной радиостанции равна 300 м.

Длина волны радиостанции зависит от частоты тока в ее антенне: чем больше частота тока, тем короче волна и, наоборот, чем меньше частота тока, тем длиннее волна- Чтобы узнать длину волны радиостанции, надо скорость распространения радиоволн, выраженную в метрах, разделить на частоту тока в ее антенне. А чтобы, наоборот, узнать частоту тока в антенне радиостанции, надо скорость распространения радиоволн разделить на длину волны радиостанции.

Для перевода частоты колебаний в мегагерцах в длину волны в метрах в обратно удобно пользоваться такими формулами:

О КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ

где L- длина волны; f-частота колебаний; 300 - скорость, распространения радиоволн, выраженная в тысячах километров в секунду.

Хочу тебя предупредить: не путай понятие о диве волны, на которой работает радиостанция, с дальностью се действия, т.е. с расстоянием, на котором ее передачи могут быть приняты. Дальность действия радиостанции, правда, зависит от длины волны, но не отождествляется с нею. Так, передача на волне длиной в несколько десятков метров может быть услышана на расстоянии в несколько тысяч километров, но не всегда слышна на более близких расстояниях, В то же время передача радиостанции, работающей на волне длиной в сотни и тысячи метров, часто не слышна на таких больших расстояниях, на которых слышны передачи коротковолновых станции.

Итак, каждая радиовещательная станция работает на определенной, отведенной для нее частоте, называемой несущей. Длины волн различных радиостанций неодинаковы, но строго постоянны для каждой их них. Это и дает возможность принимать передачи каждой радиостанции в отдельности, а не все одновременно.

ДИАПАЗОНЫ РАДИОВОЛН

Весьма широкий участок радиоволн, отведенный для радиовещательных станций, условно подразделен на несколько диапазонов: длинноволновый (сокращенно ДВ), средневолновый (СВ), коротковолновый (КВ), ультракоротковолновый (УКВ). В нашей стране длинноволновый диапазон охватывает волны длиной от 735,3 до 2000 м, что соответствует частотам 408-150 кГц; средневолновый-радиоволны длиной от 186,9 до 571,4м, что соответствует частотам 1605-525 кГц; коротковолновый-радиоволны длиной от 24,8 до 75,5 м, что соответствует частотам 12,1-3,95 МГц; ультракоротковолновый - радиоволны длиной от 4,11 до 4,56 м, что соответствует частотам 73-65,8 МГц,

Радиоволны УКВ диапазона называют также метровыми волнами; вообще же ультракороткими волнами называют все волны короче 10 м. В этом диапазоне ведутся телевизионные передачи, работают связные радиостанции, оборудованные на автомашинах пожарной охраны, такси, медицинского обслуживания населения на дому, безопасности уличного движения.

Коротковолновые радиовещательные станции неравномерно распределены по КВ диапазону: больше всего их работает на волнах длиной около 25, 31, 41 и 50 м. Соответственно этому коротковолновый радиовещательный диапазон подразделяется на 25, 31, 41 и 50-метровый поддиапазоны.

Согласно международному соглашению волна длиной 600 м (500 кГц) отведена для передачи сигналов бедствия кораблями в море - 808. На этой волне работают все морские аварийные радиопередатчики, на эту волну настроены приемники всех спасательных станций и маяков.

 

 


Источник | Опубликовал: RD3AVG


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Добавить комментарий

Похожие новости