Реферат: Бессилие от знания или может ли история помочь физикам?

Вот уж никогда не думал, чтобы рядовое, в общем-то, измерение могло подействовать на меня столь эмоционально... Настолько подействовало, что когда аппаратура уже была готова для осуществления измерений, то я понял, что я сделать эти исследования не могу, и отложил их на следующий день.

Более того, результаты этого эксперимента сильнейшим и неожиданным образом подействовали на всех окружающих людей, так или иначе причастных к нашим работам. Некоторые ближайшие коллеги, с участием которых проводились первые измерения зависимости V(h), вдруг стали отказываться от своего в них участия, а родная кафедра внезапно повела курс на уничтожение лаборатории вместе с тем курсом, который я читал.

Впрочем, я тогда ничего вокруг не замечал, одержимый постановкой такого высокоточного измерения, которое могло бы закрыть это уж точно ошибочное, никому не нужное открытие. Однако чем изысканнее были исследования, тем яснее вырисовывалась картина. Да, действительно, звуковая волна, проникая в пластину из подавляющего большинства твердых сред, сначала разгонялась, а затем, при приближении ко второй границе плавно замедлялась. И вот тогда мне стало плохо по-настоящему.

Если многочисленные болельщики мучили меня вопросом, почему в оргстекле, в отличие от стекла, этот эффект отсутствует, то меня самого не отпускала другая, совершенно мистическая проблема:

откуда упругая волна знает, что приближается граница,

и что пора начать замедление своего движения?

Вот где было сумасшествие! Этот вопрос горел в моем замутненном сознании с настойчивостью маньяка, не отпуская ни на минуту... Вот уже более 20 лет прошло с тех пор, но этого состояния непрерывной и полной огорошенности забыть нельзя.

Ну, что тут скажешь, невольно начнешь верить в Провидение. Не знаю, чьей волей, но в руках у меня оказалась книга о жизни Ньютона, откуда я узнал, что с ним происходила примерно такая же история. При обсуждении закона всемирного тяготения его оппоненты, да и он сам были одержимы подобным же вопросом: где та "веревка", что заставляет взаимодействовать между собой планеты и прочие объекты? Так же, как и меня, его эта мука не отпускала года два. После чего его осенило, что закон должен отвечать не на вопрос "почему", а исключительно на вопрос "как"! В конце концов, если при метрологически корректном измерении эффект повторяем, значит, его нужно учитывать, с ним нужно считаться независимо от нашего понимания. Разве мало мы используем эффектов, не понимая их физики? Да хоть бы тот же закон всемирного тяготения...

И все, больше никаких мук. Принимаем как данность, что в подавляющем большинстве твердых сред скорость распространения фронта упругих колебаний снижается при приближении фронта к поверхности объекта. То есть в подавляющем большинстве твердых сред существует приповерхностный слой, толщина которого достигает 2 см, в котором скорость распространения фронта упругих колебаний имеет пониженное значение за счет уменьшения ее с приближением фронта к поверхности.

Отношение к этому эффекту как к доказанному факту позволило обнаружить еще некоторые новые эффекты. Кстати, один из них позволил ответить на тот злополучный вопрос, который я обвел рамочкой. Но наиболее интересным мне кажется эффект акустического резонансного поглощения (АРП). Суть его в следующем.

Если при сквозном прозвучивании пластин из любых материалов изменять частоту генератора, возбуждающего электроакустический преобразователь, то можно увидеть на некоторых частотах так называемый эффект монохроматора, известный в оптике еще как эффект просветления. Эффект этот заключается в том, что, в результате интерференционных (а в данном случае, это действительно так) процессов при многократном переотражении сигнала внутри слоя на некоторых частотах сигнал проходит через пластину целиком при абсолютном отсутствии отражения от нее. Условие эффекта монохроматора заключается в том, что на толщине пластины h должно укладываться целое количество полуволн продольных колебаний или, иначе говоря,

, где (2)

f_мх - частоты, на которых наблюдается эффект монохроматора,

n - любое целое число,

V_пр - скорость продольных волн.

На других частотах зондирующий сигнал частично отражается от пластины, и за счет этого уменьшается уровень сигнала, который проходит сквозь пластину. Эффект монохроматора можно наблюдать на пластинах из всех твердых сред. Однако при исследовании пластин не из оргстекла, а из других, перечисленных выше материалов, обнаружился еще один эффект, по смыслу диаметрально противоположный эффекту монохроматора. Как оказалось, на некоторых частотах (f_АРП ) отсутствует не отражение, а прохождение сигнала через пластину, но при этом не увеличивается отражение от нее. Естественен вопрос: а куда же девается та часть сигнала, которая и не проходит насквозь, но и не идет на увеличение отражения?

И опять год поисков. В результате которых оказалось, что искомая часть сигнала излучается пластиной через ее же собственные торцы. Этот эффект, по аналогии с ферромагнитным, парамагнитным и другими известными в физике эффектами резонансного поглощения, был назван эффектом акустического резонансного поглощения. Переориентация первичного акустического потока в ортогональном направлении есть следствие того, что эффект АРП идет на поперечных волнах.

Условие эффекта АРП следующее:

, где (3)

m - любое нечетное число,

V_СДВ - скорость поперечных (сдвиговых) волн.

Низшая частота, на которой наблюдается эффект АРП (при m =1), оказалась равной частоте f₀ , которая возникает при ударном возбуждении слоя-резонатора. Отсюда и название эффекта, так как совпадение собственной частоты с возбуждающей - это и есть резонанс. Таким образом, числитель формулы (1) есть не что иное, как скорость поперечных волн V_СДВ .

Любой новый физический эффект - это бездна информации. Особенно когда это касается такого фундаментального эффекта как АРП. Ограничиваясь рамками настоящего повествования, можем отметить, что:

Слои из большинства твердых сред являются резонаторами, то есть при ударном воздействии они откликаются гармоническим затухающим процессом на частоте, равной f₀ .

Собственный колебательный процесс идет на поперечных волнах, и поэтому реализация эффекта АРП может считаться первым метрологически корректным способом определения скорости поперечных волн.

Наличие приповерхностных зон, в которых скорость распространения упругих волн не является постоянной, а уменьшается с приближением к границе, является условием существования резонатора. Мы научились уничтожать эти зоны, и тогда стеклянные, металлические и т.п. пластины перестают быть резонаторами. Мы научились создавать эти зоны, и тогда пластины из оргстекла, жидкостные и газовые слои становятся слоями-резонаторами.

Слой-резонатор - это частный случай. Резонатором является объект любой формы при наличии приповерхностных слоев с непостоянной скоростью звука, но при этом количество собственных частот колебательного процесса, возникающего в этом объектах, равно количеству его размеров. К примеру, параллелепипед имеет три размера и, соответственно, три частоты его собственного звучания.

Определяя с помощью спектрально-акустических измерений спектр собственного звучания, нетрудно определить размеры объекта, а также выявить скрытые границы, в частности, обусловленные дефектами материала. И этот факт породил спектрально-акустическую дефектоскопию.

Границы, выявляемые при спектрально-акустических измерениях, представляют собой поверхности, по которым возможно взаимное проскальзывание соседних сред. Это определяется тем, что формируются собственные колебания на поперечных волнах.