Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

Скорость звуковых волн весьма различна для разных сред и, кроме того, зависит от температуры. Современные методы позволяют производить точные измерения скорости звука, пользуясь малыми количествами исследуемого вещества. На рис. 64 изображена диаграмма, показывающая скорость звука в неко-

Рис. 64. Скорость звука в некоторых газах, жидкостях и твердых телах

торых веществах, причем указана температура, к которой от- носится приведенное значение скорости. Числа, приведенные на диаграмме, в некоторых случаях дают лишь приблизительное представление о скорости звука в материале, поскольку последняя зависит также от сорта материала (сталь, стекло) и от его очистки (керосин).

§ 35. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия. Если скорость распространения волн известна, то из-

мерение их запаздывания позволяет решить обратную задачу: найти пройденное ими р а с с т о я н и е.

Ничтожные промежутки времени, затрачиваемые электромагнитными волнами на пробег наземных расстояний, теперь уже не лежат за пределами доступного наблюдению, и мы умеем измерять их с большой точностью. На этом основано действие р а д и о л о к а т о р о в — приборов, предназначенных для обнаружения кораблей, самолетов и т. п.

Радиолокатор посылает короткий электромагнитный сигнал — последовательность очень быстрых колебаний, длящуюся 1–2 мкс (рис. 65). Этот сигнал отмечается на экране электронного осциллографа в виде отброса электронного пучка от прямой AB (рис. 66), по которой этот пучок пробегает под действием развертывающего напряжения (§ 26). Отразившись от препятствия, сигнал возвращается, принимается радиолокатором, усиливается и снова подводится к осциллографу. Возникает второй отброс электронного пучка от прямой AB, соответствующий приходу отраженного сигнала. Расстояние между двумя

локационные сигналы. Если такой предмет, например самолет, движется, то вместе с изменением расстояния до него будет меняться положение второго отброса электронного пучка на экране осциллографа, т. е. мы увидим, что самолет приближается

клокатору или удаляется от него.

Спомощью радиолокаторов можно также определять расстояние до берега и вообще любого предмета, способного хорошо отражать радиоволны. Таким образом, радиолокаторы можно использовать для навигации и других целей. В настоящее время значение радиолокации, в частности в военном деле, чрезвычайно велико. В СССР первые работы в области радиолокации были начаты уже в 1932 г. под руководством Ю. А. Коровина; первая в СССР радиолокационная установка была построена Ю. Б. Кобзаревым и его сотрудниками в 1939 г.

Задачу измерения расстояний в ряде случаев можно решать, определяя время запаздывания звука. При распространении звуковых сигналов времена запаздывания гораздо больше, и поэтому их легче точно измерить. Однако значительно менее точно известна скорость распространения сигнала, так как в практических условиях на нее влияет целый ряд обстоятельств: ветер, неоднородность температуры среды (воздуха, воды) и т. п.

На том же принципе (измерения времени запаздывания от-

раженного сигнала) основаны г и д р о а к у с т и ч е с к а я л о- к а ц и я и э х о л о т и р о в а н и е. Гидролокаторы позволяют, например, обнаруживать с надводных кораблей подводные лодки и, наоборот, с подводных лодок надводные корабли. При помощи

эхолотов измеряется глубина морского дна. Эхолот действует следующим образом. В дно корабля монтируют специальные излучатель и приемник у л ь т р а з в у- к о в ы х в о л н (рис. 67), которые

применяются потому, что они значительно короче звуковых, и это обеспечивает некоторые преимущества, связанные с направленностью излучения (§ 42). Излуча-

тель периодически посылает короткие сигналы ультразвуковой частоты, а приемник принимает и автоматически записывает на ленте запаздывание сигналов, отраженных от морского дна, т. е. записывает в определенном масштабе глубину моря. В результате

при движении корабля на ленте записывается профиль морского дна.

Измеряя р а з н о с т и между временами прихода какого-ли- бо отрывистого звука (взрыв, выстрел) в т р и различных пункта наблюдения, можно определить местонахождение источника этого звука. Такой способ, называемый звукометрией, применяется в военном деле для засечки артиллерийских батарей противника.

§ 36. Поперечные волны в шнуре. Мы перейдем теперь к более подробному изучению механических волн. Их свойства зависят от многих обстоятельств: от вида связи между смежными

(отстает по фазе), чем эта точка дальше от конца шнура. Рис. 69 поясняет к и н е м а т и к у процесса передачи колебаний от точки к точке. Здесь изображены после-

96 Гл. IV. Волновые явления

ны — это расстояние между ближайшими точками синусоидальной (или, что то же самое, гармонической) волны, колеблющимися в одинаковой фазе. Длину волны обозначают обычно греческой буквой λ (лямбда).

Мы имеем, таким образом, двоякого рода периодичность в волне. С одной стороны, каждая частица среды совершает периодическое колебание во времени; с другой стороны, в каждый момент времени все частицы располагаются на линии, форма которой периодически повторяется в пространстве. Длина волны λ играет по отношению к ф о р м е в о л н ы в п р о- с т р а н с т в е ту же роль, какую период T играет по отношению к к о л е б а н и ю в о в р е м е н и.

Если мы захотим узнать с к о р о с т ь р а с п р о с т р а н е- н и я в о л н ы v, т. е. расстояние, проходимое ею в единицу времени, то, очевидно, надо разделить длину волны λ (проходимую за период T ) на период T :

v = Tλ .

Зная две из входящих в эту формулу величин, можно вычислить третью.

Мы указали в самом начале и теперь подчеркиваем еще раз: р а с п р о с т р а н е н и е в о л н ы о з н а ч а е т з а п а з д ы в а- ю щ у ю п е р е д а ч у к о л е б а т е л ь н о г о д в и ж е н и я от одной точки среды к другой. Никакого переноса вместе с волной самого вещества тела, в котором волна распространяется, не происходит.

Каждая точка шнура (как и каждый кружок на рис. 69) колеблется п е р п е н д и к у л я р н о к н а п р а в л е н и ю р а с- п р о с т р а н е н и я в о л н ы, т. е. п о п е р е к направления распространения. Поэтому и волна такого вида называется поперечной.

В результате чего получается передача колебательного движения от одной точки среды к другой и почему она происходит с запаздыванием? Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться в д и н а м и к е в о л н ы.

Смещение нижнего конца шнура в сторону вызывает д е- ф о р м а ц и ю шнура в этом месте. Появляются силы упругости, стремящиеся уничтожить деформацию, т. е. появляются силы натяжения, которые тянут вслед за участком шнура, смещенным рукой, непосредственно прилегающий к нему участок. Смещение этого второго участка вызывает деформацию и натяжение следующего и т. д. (Конечно, в действительности никаких о т д е л ь-

шара отстает от колебания предыдущего. В результате возникает поперечная волна, бегущая вдоль по цепочке (рис. 71).

Рис. 71. Поперечная волна

Чем жестче пружины и чем легче шары, тем меньше отстает колебание каждого шара от колебания его предшественника, а значит, тем длиннее при одном и том же периоде получится волна. Но увеличение λ при неизменном T означает увеличение скорости распространения волны. Наша модель подсказывает нам, таким образом, следующую закономерность, которая действительно выполняется для упругих тел: скорость распространения упругих волн тем больше, чем больше жесткость тела и чем меньше его плотность.

§ 37. Продольные волны в столбе воздуха. Мы познакомимся теперь с другим видом волн, причем опять возьмем тело удлиненной формы, а именно столб воздуха, заключенный в трубе. Вдоль трубы может двигаться поршень. Заставим этот поршень совершать гармоническое колебание. Что будет происходить в столбе воздуха?

Предыдущий параграф позволяет сразу же дать ответ. Ведь и здесь каждый участок тела (слой воздуха) обладает массой, а всякое сжатие воздуха создает избыток давления, т. е. налицо у п р у г о с т ь воздуха. Следовательно, в столбе воздуха образуется упругая волна, которая будет бежать от поршня (рис. 72). Однако теперь колебательное движение в волне происходит иначе, чем раньше: частицы воздуха колеблются в том же направлении, что и поршень, т. е. вдоль направления распространения волны. Такие волны называются продольными.

Рис. 72. Волна в трубе

Кинематику продольной волны поясняет рис. 73, где, как и на рис. 69, изображен ряд занумерованных кружков; кружки гармонически колеблются около своих положений равновесия. По-прежнему амплитуда и частота колебаний у всех кружков одинаковы, а фаза колебания каждого кружка отстает от фазы