Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий - [6]

Шрифт
Интервал
. На больших глубинах изменение температуры не так ощутимо, преобладает эффект увеличения давления, и это приводит к возрастанию c по мере приближения ко дну. Глубина z>m чаще всего составляет от 1000 до 1200 м, но может достигать и 2000 м на низких широтах, где теплым остается более толстый слой воды. В высоких широтах, наоборот, z>m может составлять всего 500 или даже 200 м, или еще меньше в полярных регионах. Изменение солености в зависимости от глубины, как правило, незначительно и не оказывает заметного эффекта.

Отражение и преломление световых волн

Напомним свойства отражения и преломления в случае оптики. Если луч света из среды 1 попадает на границу (предположительно плоскую) со средой 2, часть света отражается в среду 1, а другая часть проходит в среду 2 (см. илл. а): это явление преломления. Угол преломления α>2 связан с углом падения α>1 законом Снеллиуса:

где c>1 и c>2 – скорости света соответственно в средах 1 и 2.

Эту формулу можно также написать, используя индексы преломления сред 1 и 2, соответственно n>1 = c/c>1 и n>2 = c/c>2, где c – скорость света в вакууме.

Если световой луч попадает на поверхность с достаточно большим углом падения α>1, то величина

становится больше 1, и не существует такого значения угла α>2, которое соответствовало бы приведенной выше формуле. Таким образом, преломление луча оказывается невозможным, и происходит полное внутреннее отражение (см. илл. b). Это явление используется в оптических волноводах: луч претерпевает целый ряд отражений внутри проводника, и поэтому свет распространяется по нему с минимальными потерями. Самый известный пример оптического волновода – оптоволокно.

Как и световые волны, звуковые волны могут отражаться и преломляться. Формула Снеллиуса остается применимой и к описанию поведения «звуковых лучей», но c>1 и c>2 в этом случае, очевидно, представляют собой скорости звука, а не света.

Преломление и отражение светового луча (красные стрелки), выходящего из воды (показатель преломления равен 1,33) в воздух (показатель преломления близок к 1,0)

Опыт с лазерными указками демонстрирует явление полного отражения на границе между водой и воздухом. Луч, падающий на поверхность воды под небольшим углом α (зеленый), подвергается лишь частичному отражению: часть энергии покидает воду с преломленным лучом, и на экране появляется световое пятно. Скользящий луч (красный) испытывает полное внутреннее отражение

5. Пример изменения скорости звука с в океане в зависимости от глубины. В результате повышения давления и понижения температуры по мере приближения ко дну скорость достигает минимума на глубине z>m, чаще всего около 1000 м


Когда звук распространяется зигзагами

Теперь рассмотрим звуковой луч, источник которого находится на глубине z>m. Независимо от того, пойдет ли он вверх или вниз, в области, в которой он оказывается, скорость звука выше, чем на оси. Таким образом, в результате последовательного прохождения слоев воды на своем пути звуковой луч постепенно искривляется, вплоть до скользящего падения под таким углом, для которого происходит полное отражение (см. врезку). Тогда он начинает искривляться в направлении увеличения (или уменьшения) глубины, пока снова не достигнет глубины z>m, где изменение скорости звука меняет знак. Таким образом, луч движется по зигзагообразной траектории между двумя плоскостями (илл. 6).

Эти две плоскости эквивалентны верхней и нижней границам волновода, у которого нет боковых стенок. Тем не менее благодаря описанному явлению звук способен распространяться в океане на большие расстояния. Наконец-то мы закончили расследование!

Эффективность океанического волновода

Не все исходящие из источника звуковые лучи попадают в этот «океанический волновод». Первоначально звук из источника распространяется во всех направлениях, и превращение его в «звуковой луч» зависит от угла, образующегося между ним и вертикалью. Если этот угол достаточно велик, то звуковой луч распространяется безгранично. Если же угол слишком мал, звуковой луч достигнет поверхности или дна океана. Но дно океана неровное, и оно, как и поверхность (кроме редких моментов, когда она совершенно спокойна), рассеивает звук. Таким образом, море, как правило, может послужить волноводом только для звуковых лучей, которые не достигают ни поверхности, ни дна океана. На практике существуют «акустические каналы», по которым звук передается на большие расстояния, и «теневые зоны», куда звук никогда не попадает.

Звуковые волноводы, созданные человеком

Распространение звука в газах или жидкостях представляет собой возмущение, периодически изменяющее в пространстве и времени плотность частиц, эту среду составляющих. Любой выделенный объем жидкости локально подвергается периодической череде сжатий и расширений.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах, вообще говоря, выше, чем в газах. Это и не удивительно, ведь в вакууме звук не распространяется вообще, а разреженный газ имеет плотность промежуточную между вакуумом и конденсированным веществом. Однако если скорость звука в двух средах сильно отличается, то передача звука из одной в другую может быть затруднена. Это явление используется в стетоскопе – инструменте, который доносит в ухо врача звуки из грудной клетки пациента. Первоначально он представлял собой простую деревянную трубку.

Продолжить чтение
Рекомендуем почитать
Человек в поисках себя. Очерки антропологических и этических учений. Том 1. Античность и Средневековье

Работа представляет комплексный анализ антропологических и этических учений с древнейших времен до современности в их взаимозависимости и взаимовлиянии. Адресуется студентам и аспирантам гуманитарных вузов, а также широкому кругу читателей.

Беседы о науке

Штрихи к портретам известных отечественных и зарубежных деятелей науки: академиков – Г. Марчука, Л. Окуня, Ж. Алферова, А.Сахарова, С.Вавилова, Ф.Мартенса, О.Шмидта, А. Лейпунского, Л.Канторовича, В.Кирюхина, А.Мигдала, С.Кишкина, А. Берга, философов – Н.Федорова, А. Богданова (Малиновского), Ф.Энгельса, А. Пятигорского, М.Хайдеггера, М. Мамардашвили, В.Катагощина, выдающихся ученых и конструкторов – П.Чебышёва, К. Циолковского, С.Мальцова, М. Бронштейна, Н.Бора, Д.Иваненко, А.Хинчина, Г.Вульфа, А.Чижевского, С. Лавочкина, Г.Гамова, Б.

Инквизиция и инквизиторы во Франции

После Альбигойского крестового похода — серии военных кампаний по искоренению катарской ереси на юге Франции в 1209–1229 годах — католическая церковь учредила священные трибуналы, поручив им тайный розыск еретиков, которым все-таки удалось уберечься от ее карающей десницы. Так во Франции началось становление инквизиции, которая впоследствии распространилась по всему католическому миру. Наталия Московских рассказывает, как была устроена французская инквизиция, в чем были ее особенности, как она взаимодействовала с папским престолом и королевской властью.

Отечественная война 1812 года глазами современников

В книге собраны воспоминания участников Отечественной войны 1812 года и заграничного похода российской армии, окончившегося торжественным вступлением в Париж в 1814 году. Эти свидетельства, принадлежащие самым разным людям — офицерам и солдатам, священнослужителям и дворянам, купцам и городским обывателям, иностранцам на русской службе, прислуге и крепостным крестьянам, — либо никогда прежде не публиковались, либо, помещенные в периодической печати, оказались вне поля зрения историков. Лишь теперь, спустя двести лет после Отечественной войны 1812 года, они занимают свое место в истории победы русского народа над наполеоновским нашествием.

О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

Автор книги рассказывает о появлении первых календарей и о том, как они изменялись, пока не превратились в тот, по которому мы сейчас живем. Вы узнаете много интересного и познавательного о метрических системах, денежных единицах и увлекательных парадоксах физики, химии и математики. Занимательные исторические примеры, иллюстрируя сухие факты, превращаются в яркие рассказы, благодаря живому и образному языку автора.

Этюды о Галилее

Одна из первых монографий Александра Койре «Этюды о Галилее» представляет собой три, по словам самого автора, независимых друг от друга работы, которые тем не менее складываются в единое целое. В их центре – проблема рождения классической науки, становление идей Нового времени, сменивших антично-средневековые представления об устройстве мира и закономерностях физических явлений. Койре, видевший научную, философскую и религиозную мысли в тесной взаимосвязи друг с другом, обращается здесь к сюжетам и персонажам, которые будут находиться в поле внимания философа на протяжении значительной части его творческого пути.

Жужжащие. Естественная история пчёл

Пчелы подобны кислороду — они вездесущи, невероятно важны для нас и по большей части невидимы. Хотя мы их часто не замечаем, эти насекомые составляют важную часть отношений человека с миром природы. В книге «Жужжащие» Тор Хэнсон приглашает нас в путешествие, начавшееся 125 млн лет назад, когда первая оса отважилась кормить свое потомство цветочной пыльцой. Эти насекомые — от медоносных пчел и шмелей до менее известных земляных, солончаковых, роющих, пчел-листорезов и пчел-каменщиц — издавна неотделимы от урожайности наших садов и полей, от нашей мифологии, да и от самого нашего существования.

Вселенная в вопросах и ответах. Задачи и тесты по астрономии и космонавтике

В книге собраны 181 задача, 50 вопросов и 319 тестов с ответами и решениями. Материал в основном новый, но включает наиболее удачные задания из предыдущих изданий. В целом это не очень сложные, но «креативные» задачи, раскрывающие разные стороны современной астрономии и космонавтики и требующие творческого мышления и понимания предмета. Основой для некоторых вопросов стали литературные произведения, в том числе научно-фантастические повести братьев Стругацких. Работа с этой книгой делает знания по астрономии и космонавтике активными, что важно для будущих ученых и инженеров, а также преподавателей физики и астрономии.

Это мой конёк. Наука запоминания и забывания

Почему мы помним? Как мы забываем? И что же такое память, в конце концов? Отвечая на эти и другие вопросы, умная и веселая книга «Это мой конёк» позволяет нам по-новому увидеть одну из самых поразительных человеческих способностей. Две сестры из Норвегии, нейропсихолог и известная писательница, искусно вплетают в повествование историю, науку и собственные исследования, открывая перед читателем захватывающую панораму понимания памяти — от эпохи Возрождения и открытия гиппокампа, напоминающего по форме морского конька, до нашего времени. В свете самых актуальных научных идей XXI века показана роль различных отделов мозга, причины забывания детских воспоминаний и трудностей с памятью при стрессе и депрессивных состояниях.

Срок времени

Карло Ровелли – итальянский физик-теоретик, специалист в области квантовой гравитации, автор нескольких научно-популярных книг. В “Сроке времени” он предлагает неожиданный взгляд на такой, казалось бы, привычный нам всем феномен, как время. Время, утверждает он, не универсальная истина, а иллюзия, это просто наше ощущение последовательности событий, их причинно-следственных связей. Время есть форма нашего взаимодействия с миром. Тайна времени, вероятно, в большей степени связана с тем, что такое мы сами, чем с тем, что такое космос.