Движущееся возмущение. 
Развитие теорий в физике

Эту главу мы начнем с рассмотрения волн в их самом простом проявлении — с перемещения локального возмущения, или «волнового импульса», по одномерному объекту, подобному струне музыкального инструмента. Потом мы перейдем к непрерывным, периодическим волнам, а затем и к волнам в пространстве двух (2d-) и трех (3d-) измерений, выстраивая тем самым объяснение эксперимента, который демонстрирует волновую природу света.

Нет никакого смысла двигаться дальше, не приводя конкретных примеров. Мы начнем с самого простого — с рассмотрения одиночного волнового импульса. Самый наглядный способ представить его возникновение — это вообразить короткий и резкий удар (или «щипок») по туго натянутой струне. До удара струна образует прямую линию. Если внешнее воздействие искажает форму струны, то возникающие в струне напряжения будут стремиться вернуть струне первоначальную.

Применим третий закон Ньютона: если та часть струны, которая оказалась справа (по рис. 7−1) от места удара, «тянет» образовавшуюся на струне выпуклость вниз, то с той же силой, эта выпуклость тянет правую часть струны вверх! Этот процесс продолжается постоянно и, в результате, к тому времени, когда первоначальный след от удара исчезнет, справа — и слева тоже, но об этом чуть позже — прим. перев. от него на струне возникнет движущаяся вправо выпуклость («след» от удара, возмущение). Отметим, что движется именно волновой импульс («след» от удара), а не сама струна. Элементы (частицы) струны лишь на время прохождения импульса смещаются в направлении перпендикулярном его движению, а после прохождения волны возвращаются обратно на свои места, вновь образуя прямую линию.

Нет никакой необходимости останавливаться на описании подробностей и деталей (особенно математических) процесса распространения импульса вдоль струны. Да, реальное движение струны вызывает и другое наблюдаемое волновое движение — после удара в струне возникают два волновых импульса: один будет двигаться вправо, а другой — влево. Мы увидим вскоре, что можно полностью понять такое движение волновых импульсов, не беспокоясь о деталях движения самой струны. Движение среды можно не рассматривать при изучении волновых процессов.

Чтобы сделать эту мысль более понятной, рассмотрим ещё один пример, абсолютно свободный от любой связи с законами механики. Вообразим военный духовой оркестр, построенный в одну шеренгу. Каждому музыканту дана инструкция: «смотри на своего соседа справа и повторяй его движения в следующем такте». Затем мы подходим к началу шеренги и просим стоящего там музыканта сделать два шага вперед, а потом сразу вернуться на место, сделав два шага назад.

Первые фазы возникающего в шеренге эффекта иллюстрирует рис. 7−2 (вид сверху на шеренгу музыкантов). Неоднородность, «всплеск» в шеренге перемещается слева направо, но ни один из музыкантов не смещается при этом ни влево, ни вправо. И это ни в коем случае не аналогия, а реальное проявление волны в полном значении этого словакстати, подобные «волновые технологии» успешно освоены футбольными болельщиками всего мира — прим. перев, за исключением того, что «среда», в которой распространяется эта волна, дискретна (не непрерывна). В большинстве случаев, которые нам предстоит рассматривать далее, речь пойдет о волнах, которые распространяются в непрерывных, сплошных средах, однако наши базовые знания о волнах, их законах и свойствах могут быть применены ко всем волнам, существующим в природе.

Это дает нам возможность зафиксировать важнейшее свойство волн: волны распространяются с постоянной скоростью, которая зависит от природы среды, но не от самой волны. В нашем примере волна за один музыкальный такт сдвигается на расстояние равное дистанции между музыкантами в шеренге. Это происходит из-за действия тех инструкций, которые даны музыкантам, и не зависит от формы волны. Если бы мы попросили, чтобы первый в шеренге музыкант сделал не два, а три шага вперед, а потом три шага назад, то была бы сформирована волна с бульшим размахом, но она все равно распространялась бы по шеренге с той же самой скоростью. Фактически, основным (базовым) понятием в теории волн является представление о волне, которая распространяется с постоянной скоростью, не изменяя своей формы.

Таким образом, нет никакой надобности доказывать, что волна распространяется по струне с постоянной скоростью не изменяя своей формы. Если вдруг обнаружится, что это не так, то это просто покажет, что струна — плохой пример для рассмотрения волновых явлений. Однако в действительности хорошо натянутая струна, это превосходная среда для изучения распространения волн. Так, например, если струна сильно натянута, а сама струна тонкб, то те ускорения, с которыми элементы струны возвращаются из деформированного состояния, будут велики, и волна будет быстро перемещаться по струне. Если же, напротив, струна будет массивной или же слабо натянутой, то волна будет двигаться по струне медленнее, А не приходилось ли Вам практически использовать этот волновой эффект?- прим. перев.