Голос людини - найважливіший автоколебательний процес. В основі його знаходиться рух постійного потоку повітря з легенів, модулируемого коливаннями голосових зв'язок. Найтонші фіоритури колоратурного сопрано зі столичного оперного театру і грубий рев бика з точки зору фізики звукоутворення абсолютно ідентичні.
«" Коли боги сміються, стережися! " - застережливо крикнув старий. Він накреслив пальцем коло на піску і, поки він креслив, пісок вив і верещав; потім старий опустився на коліна, пісок заревів і затрубив ».
Є співаючі піски і навіть ціла співає піщана гора неподалік від річки Або в Казахстані. Майже на 300 метрів піднялася гора Калкан - гігантський природний орган. По-різному називають її люди: «співучі піски», «співаюча гора». Складена вона з піску світлих тонів і на тлі темних відрогів Джунгарського Алатау Великого і Малого калкану представляє надзвичайне видовище завдяки колірному контрасту. При вітрі і навіть при спуску з неї людини гора видає мелодійні звуки. Після дощу і під час штилю гора мовчить. Туристи люблять відвідувати Співаючий бархан і, піднявшись на одну з трьох його вершин, милуватися відкрилася панорамою Або і хребта Заилийского Алатау. Якщо гора мовчить, нетерплячі відвідувачі «змушують її співати». Для цього треба швидко втекти за нахилом гори, піщані струмки побіжать з-під ніг, і з надр бархани виникне гудіння.
Багато століть минуло з часу виявлення співаючих пісків, а задовільного пояснення цьому вражаючому феномену не було запропоновано. В останні роки за справу взялися англійські акустики, а також радянський вчений В.І. Арабаджи. Арабаджи припустив, що випромінює звук верхній шар піску рухається при будь-якому постійному обуренні по нижньому, більш твердому шару, що має хвилястий профіль поверхні. Внаслідок сил тертя при взаємному переміщенні шарів і збуджується звук.
Вимушені коливання - це незгасаючі коливання. Неминучі втрати енергії на тертя при вимушених коливаннях компенсуються підведенням енергії від зовнішнього джерела періодично діючої сили. Існують системи, в яких незгасаючі коливання виникають не за рахунок періодичного зовнішнього впливу, а в результаті наявної у таких систем здатності самої регулювати надходження енергії від постійного джерела. Такі системи називаються автоколивальними, а процес незатухаючих коливань в таких системах - автоколиваннями. Схематично автоколивальні систему можна представити у вигляді джерела енергії, генератор з загасанням і пристрої зворотного зв'язку між коливальної системою і джерелом (рис. 7.10).
Як коливальні системи може бути використана будь-яка механічна система, здатна здійснювати власні затухаючі коливання (наприклад, маятник настінного годинника). Джерелом енергії може служити деформована пружина або вантаж в поле тяжіння. Пристрій зворотного зв'язку є певний механізм, за допомогою якого автоколивальна система регулює надходження енергії від джерела.
Прикладом механічної автоколебательной системи може служити годинниковий механізм з анкерним ходом (рис. 7.11). У годиннику з анкерним ходом ходове колесо з косими зубами жорстко скріплене з зубчастим барабаном, через який перекинута ланцюжок з гирею. На верхньому кінці маятника закріплений анкер з двома пластинками з твердого матеріалу, вигнутими по дузі кола з центром на осі маятника. У ручних годиннику гиря замінюється пружиною, а маятник - балансиром, скріпленим зі спіральною пружиною. Балансир здійснює крутильні коливання навколо своєї осі. Коливальної системою в годиннику є маятник або балансир, джерелом енергії - піднята вгору гиря або заведена пружина. Пристроєм, за допомогою якого здійснюється зворотний зв'язок, є анкер, що дозволяє ходовому колесу повернутися на один зубець за один напівперіод. Зворотній зв'язок здійснюється взаємодією анкера з ходовим колесом. При кожному коливанні маятника зубець ходового колеса штовхає анкерну вилку в напрямку руху маятника, передаючи йому деяку порцію енергії, яка компенсує втрати енергії на тертя. Таким чином, потенційна енергія гирі (або закрученої пружини) поступово, окремими порціями передається маятнику.
У повсякденному житті ми, можливо, самі того не помічаючи, зустрічаємося з автоколиваннями частіше, ніж з коливаннями, викликаними періодичними силами. Автоколебания оточують нас всюди в природі і техніці: парові машини, двигуни внутрішнього згоряння, електричні дзвінки, годинник, яка звучить скрипкова струна або органна труба, що б'ється серце, голосові зв'язки при розмові або співі - всі ці системи здійснюють автоколебания.
Коливальний рух зазвичай вивчають, розглядаючи поведінку якогось маятника: пружинного, математичного або фізичного. Всі вони являють собою тверді тіла. Можна створити пристрій, яке демонструє коливання рідких або газоподібних тіл. Для цього скористайтеся ідеєю, закладеної в конструкцію водяного годинника. Дві полуторалітровиє пластикові пляшки з'єднують так само, як і в водяних годинниках, скріпивши кришки. Порожнини пляшок з'єднують скляною трубкою довжиною 15 сантиметрів, внутрішнім діаметром 4-5 міліметрів. Бічні стінки пляшок повинні бути рівними і нежорсткими, легко м'яти при стисненні (див. Рис. 7.13).
Для запуску коливань пляшку з водою у своєму розпорядженні зверху. Вода з неї починає відразу ж витікати через трубку в нижню пляшку. Приблизно через секунду струмінь мимовільно перестає текти і поступається прохід в трубці для зустрічного просування порції повітря з нижньої пляшки у верхню. Порядок проходження зустрічних потоків води і повітря через сполучну трубку визначається різницею тисків у верхній і нижній пляшках і регулюється автоматично.
Про коливання тиску в системі свідчить поведінка бічних стінок верхньої пляшки, які в такт з випуском води і впусканням повітря періодично стискаються і розширюються. оскільки
Як відбувається поширення коливань? Необхідне середовище для передачі коливань або вони можуть передаватися без неї? Як звук від звучного камертона доходить до слухача? Яким чином швидкозмінних струм в антені радіопередавача викликає появу струму в антені приймача? Як світло від далеких зірок досягає нашого ока? Для розгляду подібного роду явищ необхідно ввести нове фізичне поняття - хвиля. Хвильові процеси становлять спільний клас явищ, незважаючи на їх різну природу.
Джерелами хвиль, будь то морські хвилі, хвилі в струні, хвилі землетрусів або звукові хвилі в повітрі, є коливання. Процес поширення коливань у просторі називається хвилею. Наприклад, в разі звуку коливальний рух робить не тільки джерело звуку (струна, камертон), але також і приймач звуку - барабанна перетинка вуха або мембрана мікрофона. Коливається і саме середовище, через яку поширюється хвиля.
Хвильовий процес обумовлений наявністю зв'язків між окремими частинами системи, в залежності від яких ми маємо пружну хвилю тієї чи іншої природи. Процес, що протікає в будь-якій частині простору, викликає зміни в сусідніх точках системи, передаючи їм деяку кількість енергії. Від цих точок обурення переходить до суміжних з ними і так далі, поширюючись від точки до точки, тобто створюючи хвилю.
Пружні сили, що діють між елементами будь-якого твердого, рідкого або газоподібного тіла, приводять до виникнення пружних хвиль. Прикладом пружних хвиль є хвиля, що розповсюджується по шнуру. Якщо рухом руки вгору-вниз порушити коливання кінця шнура, то сусідні ділянки шнура, за рахунок дії пружних сил зв'язку, також почнуть рухатися, і уздовж шнура буде поширюватися хвиля. Загальною властивістю хвиль є те, що вони можуть поширюватися на великі відстані, а частинки середовища роблять коливання лише в обмеженій області простору. Частинки середовища, в якій поширюється хвиля, не залучаються хвилею в поступальний рух, вони лише здійснюють коливання біля своїх положень рівноваги. Залежно від напрямку коливань частинок середовища по відношенню до напрямку поширення хвилі розрізняють поздовжні і поперечні хвилі. У поздовжньої хвилі частинки середовища коливаються вздовж напрямку поширення хвилі; в поперечної - перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. Пружні поперечні хвилі можуть виникнути лише в середовищі, що володіє опором зсуву. Тому в рідкому і газоподібному середовищах можливе виникнення тільки поздовжніх хвиль. У твердій середовищі можливе виникнення як поздовжніх, так і поперечних хвиль.
На рис. 8.1 показано рух частинок при поширенні в середовищі поперечної хвилі і розташування частинок у хвилі в чотири фіксованих моментів часу. Номерами 1, 2 і т.д. позначені частки, віддалені один від одного на відстань, яку проходить хвилею за чверть періоду коливань, що здійснюються частками. У момент часу, прийнятий за нульовий, хвиля, поширюючись вздовж осі зліва направо, досягла частки 1. внаслідок чого частка початку зміщуватися з положення рівноваги вгору, тягнучи за собою наступні частинки. Через чверть періоду частка 1 досягає крайнього верхнього положення; одночасно починає зміщуватися з положення рівноваги частка 2. Після ще чверті періоду перша частка буде проходити положення рівноваги, рухаючись в напрямку зверху вниз, друга частка досягне крайнього верхнього положення, а третя частка почне зміщуватися вгору з положення рівноваги. У момент часу, рівний. перша частка закінчить повне коливання і буде знаходитися в такому ж стані руху, як і в початковий момент. Хвиля до моменту часу досягне частинки 5.
На рис. 8.2 показано рух частинок при поширенні в середовищі поздовжньої хвилі. Всі міркування, що стосуються поведінки часток в поперечної хвилі, можуть бути віднесені і до даного випадку з заміною зсувів вгору і вниз зміщеннями вправо і вліво. З рис. 8.2 видно, що при поширенні поздовжньої хвилі в середовищі створюються чергуються згущення і розрідження частинок, що переміщаються в напрямку поширення хвилі зі швидкістю.
Тіла, які впливають на середу, викликаючи коливання, називаються джерелами хвиль. Поширення пружних хвиль не пов'язане з перенесенням речовини, але хвилі переносять енергію, якої забезпечує хвильовий процес джерело коливань.
Геометричне місце точок, до яких доходять обурення до даного моменту часу, називається фронтом хвилі. Тобто фронт хвилі являє собою ту поверхню, яка відокремлює частину простору, уже залученого в хвильової процес, від області, яку обурення ще не досягли.
Геометричне місце точок, хто вагається в однакових фазах, називається хвильової поверхнею. Хвильову поверхню можна провести через будь-яку точку простору, охопленого хвильовим процесом. Хвильові поверхні можуть мати будь-яку форму. У найпростіших випадках вони мають форму площині або сфери. Відповідно хвиля в цих випадках називається плоскої або сферичної. У плоскій хвилі хвильові поверхні являють собою безліч паралельних один одному площин; в сферичної хвилі - безліч концентричних сфер.
Відстань, на яке поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду коливань частинок середовища, називається довжиною хвилі. Очевидно, що . де - швидкість поширення хвилі.
На рис. 8.3, виконаним за допомогою комп'ютерної графіки, наведена модель поширення поперечної хвилі на воді від точкового джерела. Кожна частка робить гармонійні коливання біля положення рівноваги.
Мал. 8.3. Поширення поперечної хвилі від точкового джерела коливань