Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Рис. 6.37 / Задача 6.100. a) Яркая и темная полосы вдоль крыла самолета. б) Темная полоса, «вырастающая» из крыла.

Я видел подобные полосы, а также наблюдал сходное явление, когда солнце было с противоположной стороны самолета: примерно на середине крыла вырастала вверх темная полоса, заметно искажая вид внешней части крыла (рис. 6.37б). Когда я наклонял голову вперед или назад относительно корпуса самолета, полоса сдвигалась.

С чем связано появление таких полос?

ОТВЕТ • Пусть точка наблюдения находится внутри самолета. В этой системе отсчета воздух проносится вдоль неподвижного крыла. Обтекающий крыло поток создает ударную волну: распространяющийся фронт резкого изменения характеристик среды, где скорость воздуха резко уменьшается, а его плотность, соответственно, резко увеличивается. Перпендикулярный крылу самолета фронт ударной волны распространяется на всю его длину. (Если бы фронт ударной волны можно было увидеть, он напоминал бы пористый барьер, протянувшийся вдоль крыла.) Солнечные лучи, пробивающиеся через фронт ударной волны, где плотность воздуха меняется, заметно преломляются. Картина, которую видел Хьюиш, получалась так: падающие на какое-то конкретное место на крыле самолета световые лучи при преломлении меняли направление и уходили ближе к задней части крыла. Именно там была видна яркая полоса, а темная полоса соответствовала месту, которое эти лучи осветили бы, если бы не было ударной волны.

Темная полоса, дополнительно обнаруженная мной, тоже связана с прохождением световыми лучами фронта ударной волны, но их источником были детали освещенного солнцем крыла. Когда лучи, исходящие от соседних деталей на крыле, проходили через ударный фронт, преломлялись они по-разному. Дальше эти лучи расходились, оставляя область между соседними деталями относительно темной, а темная полоса, которую я видел, была составлена из этих темных участков.

Иногда я видел две полосы.

Рекорд скорости на земле был установлен в 1997 году на британском турбовентиляторном автомобиле Thrust SSC во время гонок по дну высохшего озера в пустыне Блэк-Рок в штате Невада. Пока это единственный автомобиль, на котором удалось развить сверхзвуковую скорость (скорость, превышающую скорость звука). Зрители не только услышали громкий хлопок — свидетельство наложения ударных волн, исходивших от различных частей машины, но и сфотографировали эти волны. На снимках, которые многие делали во время гонки, должны были бы запечатлеться привычные очертания холмов вдоль трассы. Однако, когда световые лучи, отраженные от холмов, проходили по пути к фотокамере через фронт ударной волны, в котором плотность воздуха слегка менялась, они изменяли направление распространения. В результате на фотографиях появились искаженные изображения холмов, что подтверждает факт возникновения ударной волны. На одной из фотографий я насчитал четыре ударные волны, идущие вверх от машины.

Камера пинхол (камера-обскура) представляет собой крошечное круглое отверстие, через которое проходит свет и попадает на пленку. Как с помощью такого устройства можно получить изображение на пленке? Какого размера должно быть отверстие? Некоторые очень небольшие отражающие поверхности, например осколки стекла, тоже можно использовать, чтобы получать подобные изображения.

Можно сделать и большой вариант пинхол-камеры. Для этого в занавеске на окне достаточно проделать небольшое отверстие, и если в комнате темно, а свет с улицы проходит через это отверстие, на противоположной стене можно увидеть перевернутое изображение картины за окном. В прошлом подобные опыты были в диковинку.

Патрик Кэйб из Университета Северной Каролины в Пемброке предложил интересный способ продемонстрировать этот эффект с помощью шарика для пинг-понга. Порядок работы следующий. 1. Выкрасьте черной краской одну половинку шарика. 2. Просверлите дырочку диаметром 2 мм в центре выкрашенной стороны шарика. 3. Сложите из черной плотной бумаги цилиндр диаметром чуть меньше диаметра шарика. 4. Вставьте шарик в один из концов цилиндра так, чтобы черная полусфера смотрела наружу. 5. Заклейте скотчем шов на бумаге, а затем закрепите скотчем шарик, не закрывая отверстия. 6. Посмотрите в открытый конец цилиндра, направив его другой конец на какой-нибудь ярко освещенный предмет. На белой матовой стенке шарика внутри цилиндра, как на экране, вы увидите перевернутое изображение этого предмета.

Камера пинспек по принципу действия противоположна камере пинхол и состоит из небольшой непрозрачной крупинки, помещенной перед фотопленкой (ее можно приклеить к листу прозрачного пластика). Большое отверстие перед этой крупинкой работает как кадровая рамка камеры, ограничивающая количество света, поступающего на нее. Какого типа изображение можно получить с помощью такой камеры?

Какое изображение получится, если небольшая крупинка будет загораживать свет от люминесцентной лампы, освещающей экран?

ОТВЕТ • Рассмотрим небольшой источник света, помещенный перед камерой пинхол. Световые волны от источника дифрагируют на отверстии камеры, то есть расходятся и интерферируют. При этом некоторые волны усиливают, а другие гасят друг друга. Результат прост: свет оставляет небольшое яркое пятнышко на фотопленке. Это пятнышко — изображение источника света; каждая точка светящегося или отражающего свет объекта формирует свое почти точечное изображение. Если отверстие камеры слишком большое, эти изображения перекрываются, и, возможно, столь сильно, что их нельзя отличить одно от другого. Перекрытие изображений уменьшается при уменьшении размера отверстия, но при этом падает и яркость изображения. Итак, каков же оптимальный размер отверстия?

Ответ зависит от того, как на пути к фотопленке расходится световая волна, прошедшая через отверстие. Когда фронт волны (поверхность, все точки которой колеблются с одинаковыми фазами) достигает отверстия, его условно разбивают на зоны в форме колец, центры которых совпадают с отверстием. Световые волны, проходящие через центральную зону, достигают пленки в фазе (синхронно) (в этом случае говорят о конструктивной интерференции), поэтому такие волны стремятся усилить друг друга, и получается яркое изображение.

Когда размер отверстия камеры точно совпадает с размером центральной зоны, изображение самое яркое. Если отверстие меньше, прохождение света через центральную зону затруднено, и изображение становится тусклым. Если радиус отверстия больше радиуса центральной зоны, свет из следующей зоны тоже достигает фотопленки, но такие световые лучи доходят до пленки по более длинному, наклонному пути и достигают ее не точно в фазе (не совсем синхронно) с лучами, прошедшими через центральную зону. Значит, волны будут частично гасить друг друга (имеет место деструктивная интерференция), что делает изображение более тусклым. В оптимальной ситуации отверстие должно быть таким маленьким, чтобы свет проходил только через центральную зону, и тогда изображение будет ярким и достаточно четким.