В дальнейшем мы часто будем говорить о фазе, но измерять ее будем не в секундах, а в градусах. Нет, это не ошибка, именно в градусах принято указывать фазу для всех мгновенных значений и для всех величин, изменяющихся в процессе колебаний. В данном случае градусы — это совсем не те единицы, которые служат для измерения температуры. Для измерения фазы служит совсем другой градус (в переводе на русский язык это слово означает «шаг», «ступень»). Весь период разбивают на 360 равных частей, и каждую такую часть называют градусом. Иными словами, градус — это время, соответствующее 1/360 части периода. Теперь мы можем сказать, что фаза положительной амплитуды скорости равна 90°, отрицательной амплитуды — 270°, фазы нулевой скорости — 0°, 180° и 360°. Точно так же в градусах можно указать фазу для любого мгновенного значения на графиках отклонения кинетической энергии и энергии упругой деформации (рис. 2).
Рис. 2. Весь период, независимо от частоты колебаний, принято делить на 360 условных единиц времени — градусов. Половина периода делится на 180°, четверть периода — на 90° и т. д.
Вы, дорогой читатель, наверняка недовольны. Для чего вместо удобных и привычных единиц времени — секунд — вводить какие-то градусы? Да и зачем вообще нужно вводить понятие о фазе колебаний? На каждый из этих вопросов можно подготовить весьма обстоятельные ответы, высказать много «за», дать целый ряд пояснений. Но мы ограничимся только двумя пояснениями — по одному на каждый вопрос.
Первое. Наш поезд идет по кругу — все движения струны регулярно повторяются, период следует за периодом, переменные величины проходят одни и те же значения. Как правило, не нужно, а часто и невозможно следить за всем ходом колебаний, за всеми периодами. Достаточно выбрать один типичный период и познакомиться с ним. Ну, а для такого типичного периода уже неважно, когда он начался, когда кончился, и фазу удобно отсчитывать в долях целого периода, в градусах.
Второе. На практике нам обычно приходится иметь дело сразу с большим числом колебаний и очень часто необходимо знать, как они взаимодействуют друг с другом. Отвлечемся на время от нашей излюбленной струны и обратимся к графикам на рис. 3. На каждой паре этих графиков одновременно показан ход колебаний двух одинаковых маятников.
Рис. З. При наблюдении колебания двух маятников (струн, качелей и т. п.) может оказаться полезным оценить сдвиг фаз этих колебаний.
В первом случае маятники двигаются с одинаковыми фазами, как принято говорить, синфазно: амплитудные отклонения в обе стороны происходят в один и тот же момент времени.
На второй паре графиков показан случай сравнительно небольшого сдвига (небольшой разницы) фаз. Фаза второго маятника запаздывает на 1/8 часть периода, то есть на 45°.
И, наконец, на третьей паре графиков показан весьма распространенный случай противофазных колебаний. Фазы сдвинуты на 1/2 периода — положительная амплитуда второго маятника запаздывает по отношению к первому на 180°.
В любой момент времени оба маятника двигаются с одинаковой скоростью, но в противоположные стороны. Кстати, когда говорят о сдвиге фаз, то слова «запаздывает» и «опережает» имеют весьма относительный смысл. Так, например, сказать «запаздывает на 90°» — это то же самое, что сказать «опережает на 270°».
Приведенный пример колебаний двух маятников может иметь лишь чисто учебное значение, если они никак не связаны друг с другом. В этом случае можно не обращать внимания на существующие сдвиги фаз. А теперь представьте себе случай, когда оба маятника выполняют общую работу: например, совместно регулируют ход одних часов. Вот здесь-то фазовые сдвиги уже играют решающую роль. В первом случае маятники действуют согласованно. Во втором это согласование несколько нарушается. Ну, а в третьем случае маятники действуют друг против друга, и результаты их совместного труда равны нулю. Это лишь один из многочисленных примеров, показывающих, какую важную роль могут играть фазовые соотношения.
После двух частных пояснений хочется сделать еще одно — общее.
Все затраты времени на знакомство с колебаниями гитарной струны имеют весьма далекий прицел. Различные виды механических и электрических колебаний будут встречаться на протяжении всей книги, и всякий раз мы будем пользоваться уже знакомыми терминами, понятиями, характеристиками, такими, как «период», «амплитуда», «обмен энергией», «частота», «сдвиг фаз», и другими. Поэтому то, чем мы сейчас занимаемся, можно рассматривать как закладку фундамента, на котором предстоит построить целый архитектурный ансамбль с довольно солидными корпусами «Электроакустики», «Усилителей» и «Радиоузлов».
Мы уже рассмотрели все основные процессы, связанные с колебаниями струны, ввели их основные характеристики. Теперь остается выполнить данное обещание — пояснить, для чего раньше, рассказывая о том, что накопители полностью передают друг другу свои энергетические запасы, мы вынуждены были осторожно вставить слово «почти». За пояснениями придется еще раз отправиться в кинозал.
Звучит голос диктора:
«Струну заставляет двигаться энергия упругой деформации..»
«…она уже не может остановиться».
«Кинетическая энергия израсходована на то, чтобы вновь деформировать струну…»
«Струну заставляет двигаться энергия упругой деформации…»
На экране мелькают знакомые кадры, струна двигается туда и обратно точно так же, как и в момент возникновения колебаний. И все же что-то в ее движении изменилось, колебания проходят «так да не так». Внимательно присматриваемся… Ну что ж, кажется, ясно — за время нашего отсутствия заметно уменьшилась амплитуда колебаний. Теперь струна медленнее проходит мимо линии покоя, меньше отклоняется от нее. Колебания постепенно затухают. Это естественно — мы знаем, что ни одна струна не звучит вечно. Причину затуханий можно определить одним словом — «потери».
Всякий раз при перекачивании энергии из одного накопителя в другой какая-то ее часть теряется. Теряется на то, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, преодолеть внутреннее трение в самой струне. Отобранная таким образом у струны энергия в итоге превращается в тепло, которое, как в бездонную бочку, уходит в просторы воздушного океана. При этом энергетические запасы струны постепенно уменьшаются, уменьшаются амплитуда скорости и амплитуда отклонения, колебания постепенно затухают.
Среди нескольких видов потерь энергии у струны есть, если можно так выразиться, полезные потери. Во всяком случае, эти потери, а точнее говоря, затраты энергии, полезны для настоящей струны, колебания которой дают звук.
Звук на анализе
Вы тронули гитарную струну. Она пришла в движение, увлекла за собой окружающий воздух, и во все стороны от колеблющейся струны пошли звуковые волны. В самых общих чертах процесс образования и распространения звуковых волн выглядит так.
Двигаясь, струна сжимает воздух впереди себя, создает повышенное давление. Разумеется, область с повышенным давлением не может оставаться изолированной. Давление передается соседним участкам, и от струны катится своеобразный вал сжатого воздуха.
Но струна не просто движется — она совершает колебания. Это значит, что через некоторое время струна пойдет в обратную сторону, и там, где только что происходило сжатие воздуха, начнется его разрежение. Пониженное давление также передается соседним участкам, и вслед за валом сжатия следует вал разрежения. Затем струна вновь меняет направление, и за разреженной областью появляется область сжатия, за ней опять разрежение и т. д., до тех пор пока струна колеблется. Бегущие одна за другой области сжатия и разрежения — это как раз и есть звуковые волны.
Звуковые волны чем-то напоминают волны на поверхности воды. Гребень морской волны можно сравнить с областью сжатого воздуха, впадину — с областью разрежения. В обоих случаях само вещество — воздух либо вода — не переносится вместе с волной, а лишь совершает колебание: поднимается — опускается, либо сжимается — разрежается.
У морских волн колебания происходят перпендикулярно направлению движения самой волны — волна движется горизонтально, а вода колеблется вверх-вниз. Такие волны называют поперечными. У звуковой волны колебания направлены вдоль линии распространения, проще говоря — вперед-назад. Поэтому звуковые волны называют продольными. Кстати, продольные волны могут распространяться в воде так же, как и в любой другой жидкости или твердом теле. При этом происходит ничтожное, измеряемое микронами и миллионными долями микрона, смещение вещества вперед-назад.
Вернемся к «учебной» струне, график колебаний которой приведен на рис. 1. Поместим на некотором расстоянии от струны манометр, который будет измерять давление воздуха, и будем записывать все результаты измерений (рис. 4).
