Звуковой барьер. Эффект доплера. Красное смещение

ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА. КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Брайченко Анатолий Алексеевич

Аннотация

В этой статье рассматривается такое явление природы, как звуковой барьер и объясняется причина его реального проявления. Раскрывается тайна сверхзвукового взрыва. Рассматривается реальность проявления эффект Доплера. Объясняется, почему красное смещение для далеких галактик больше, чем для ближних. Раскрывается тайна космологического красного смещения и объясняется, почему она не связана с "раздуванием" пространства Вселенной.

Ключевые слова: звуковой барьер; эффект Доплера; красное смещение; длина волны; галактика; пространство; материя; Вселенная.

Актуальность статьи заключается в том, что в ней показана реальность проявления звукового барьера, эффекта Доплера и космологического красного смещения.

В существующем понимании, звуковой барьер – это явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. Если скорость самолета приближается к звуку (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздушной среды. Превысив скорость звука, самолёт проходит сквозь эту область повышенной плотности воздуха, как бы прокалывает её – преодолевает звуковой барьер.
Иначе, с увеличением скорости самолета до скорости звука он начинает догонять ранее испущенные им волны, то есть как бы сжимая их. При этом давления всех волн складываются и возникает так называемый "звуковой барьер". При сверхзвуковой скорости излученные в различные моменты времени волны складываются в результирующую волну с конусообразным волновым фронтом. Весь конус движется со скоростью самолета (источника). Наблюдатель, когда его достигает волновой фронт, слышит взрыв так называемый сверхзвуковой взрыв (рис. 1), [4, стр. 256].



Что же происходит в действительности?
Для того чтобы ответить на этот вопрос вспомним, что такое звук.
Звук – это колебательное движение частиц в упругой среде, распространяющихся в виде волн [8, стр. 155].
А можно ли, логически рассуждая, наглядно представить картину распространение звукового сигнала в воздушной среде?
Зная, что диаметр молекулы воздуха равен ~ 3·10-10 м, а звук распространяется от источника на расстояние 330 м за одну секунду, то цепочка, по которой распространяется импульс звукового сигнала, должна состоять из ~ 7·1012 молекул, связанных друг с другом силовым взаимодействием. И если источник воздействует импульсом на первую молекулу цепочки, то через секунду он будет воспринят молекулой, находящейся на расстоянии 330 метров от первой. При нормальных условиях скорость распространения звукового сигнала постоянна и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.
А тогда как, спросит читатель, можно превысить скорость звука, если она постоянна.
Для этого давайте посмотрим, что будет происходить если самолет летит со скоростью меньше звука.
Самолет будет просто раздвигать воздушную среду как со своими, так и с множеством других испущенных волн, которые вместе со средой плавно (без хлопка) будут смыкаться за самолетом, сохраняя сферическую форму.
А теперь посмотрим, что будет происходить, если самолет будет лететь со сверхзвуковой скоростью.
Вернемся к нашей цепочке по которой, передавая импульс от молекулы к молекуле, звуковой сигнал распространяется на расстояние 330 метров за одну секунду.
Возникает вопрос, а как можно добиться скорости, которая бы превышала звук?
Как мы знаем, звуковой импульс, как и все волны, переносит энергию силового действия без переноса вещества (среды).
Значит, для движения быстрее звука, нужно к распространению звукового сигнала по цепочке – без переноса среды – прибавить еще и скорость движение самой цепочки (среды).
Следовательно, для того чтобы перейти от дозвуковой к сверхзвуковой скорости, самолету нужно двигать и саму цепочку, как материальное тело, то есть двигать перед собой воздушную среду со скоростью, превышающую звук.
Как видим, звуковой барьер – это момент разрыва целостности воздушной среды (её отрыв) при переходе самолетом на сверхзвуковую скорость, когда он начинает двигать перед собой воздушную массу в виде расходящегося конуса.
А тогда как можно объяснить звуковой удар, воспринимаемый наблюдателем на земле как взрыв?
Зная, что самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, разрывая целостность воздушной среды, начинает двигать её перед собой, создавая позади себя вакуум (пустоту). И это пустое пространство (вакуум) будет схлопываться, то есть почти мгновенно заполняться окружающей средой. Это, в какой-то мере, можно сравнить с достаточно сильным хлопком, если разбить электрическую лампочку. А теперь представьте, что разбивается лампочка, имеющая размер с двухэтажный дом. То произойдет уже не хлопок, а настоящий взрыв, от которого, наверняка вылетят стекла в рядом расположенных домах.
Эти взрывы (схлопывание пустоты) будут сопровождать самолет на всем протяжении его полета со сверхзвуковой скоростью.
А теперь рассмотрим происхождение такого явления, как эффект Доплера.
В существующем представлении, эффект Доплера – это изменение длины волны, наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). Если источник приближается к приемнику длина волны уменьшается, при удалении растет [6].
Иначе, если автомобиль приближается к вам, то есть "догоняет" испущенные ранее волны (Рис. 2б, справа), высота звука будет выше, а при удалении, когда он как бы "отрывается" от них (Рис. 2б слева), будет ниже. Другими словами, если источник догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается, при удалении – увеличивается (рис. 2).

Начнем с волн.

Волны – изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию силового действия [8, стр.147].
Причиной возмущения является действие импульса на среду с частотой, заданной источником. Эти возмущения в виде волн распространяются на определенное расстояние от источника по времени. Основным свойством всех волн, независимо от природы их происхождения, является то, что в волнах осуществляется перенос энергии силового действия без перемещения вещества (среды).
Рассмотрим процесс распространения возмущений на поверхности воды.
Так, круги от брошенного в спокойную воду камня расходятся кругами с одинаковым расстоянием между гребнями волн. Это можно представить, как распространение звукового сигнала стоящего автомобиля (См. рис. 2а). Но как будет обстоять дело в текущей воде. По логике, волны от камня, брошенного в воду быстрой реки, должны иметь разную длину волны. Те волны, которые распространяются от центра возмущения по течению реки, должны быть растянуты и иметь большую длину, а волны, распространяющиеся против течения – сжаты (рис. 3).

В действительности это не так. Волны, от брошенного камня даже в самую быструю реку, получаются строго круговыми – совершенно такие же, как и в стоячей воде.

Почему?
Потому что в стоячей воде круги со своим центром возмущения не перемещаются. На поверхности же быстрой реки круги со своим центром возмущения перемещаются со скоростью течения воды, оставаясь строго круговыми [5, стр.273].
А как будут распространяться возмущения на поверхности воды при движении самого источника волн?
Представьте, что вы плывете на лодке и бросаете в воду камни с частотой 2 Гц.
На поверхности воды мы будем наблюдать последовательное образование центров возмущений с частотой 2 Гц со строго расходящимися от них круговыми волнами. И если лодка догоняет ранее образовавшиеся волны, то она будет, просто "разрезая", раздвигать их корпусом.
То же самое будет происходить и со звуковыми волнами. При неподвижном источнике звука (стоящий автомобиль) волны с частотой воздействующих импульсов будут распространяются от неподвижного центра возмущения строго сферическими (См. рис. 2а). При движении источника звука (движущийся автомобиль) в среде будут образовываться последовательные центры возмущений с частотой воздействующих импульсов со строго расходящимися от них сферическими волнами, как и при неподвижном источнике. И если источник (движущийся автомобиль) будет "догонять" ранее испущенные им волны, как и бесконечное множество других волн, то он будет просто раздвигать их, не изменяя ни частоту ни длину. воздушный звуковой барьер космологический
А как тогда, спросит читатель, можно объяснить существующее представление об изменении высоты звука, который становится выше если источник приближается к наблюдателю и ниже при удалении?
Давайте вспомним, что для оценки звукового ощущения была принята только одна из характеристик, а именно высота звука, определяемая частотой. А интенсивность звуковой волны, которая определяет громкость звука при неизменной частоте, во внимание не принималась.
Как известно, расстояние, на котором источник громкости звука почти не слышен – обычно составляет 100 м (если есть преграды) и до 300...800 м (на открытой местности).
Интенсивность затухания (коэффициент поглощения) звука при нормальном атмосферном давлении и температуре – приблизительно от 10 до 20 дБ на каждые 100 метров.
Исходя из вышеизложенного можно сделать такой вывод:
во-первых, частота звуковых колебаний (длина волны), не зависит от того движется ли источник или наблюдатель, остается неизменной;
во-вторых, интенсивность звукового сигнала изменяется по мере его распространения, то есть энергия звуковой волны затухает при удалении источника от приемника (наблюдателя).
Следовательно, эффект Доплера – это изменение интенсивности звукового сигнала по мере его распространения, что связано с потерей энергии волны по времени. Если источник приближается к приемнику, то интенсивность звуковой волны – при неизменной её частоте – увеличивается – звук становится громче, при удалении – тише (затухает).
Вот так, без всякого сжатия и растяжения длины волны, объясняется эффект Доплера.
Рассмотрим еще одно явление природы – красное смещение.
Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом Весто Слайфером в 1912—1914 годах. В 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для ближних, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон Хаббла).
В настоящее время красное смещение представляется, как увеличение длины волны электромагнитного излучения, вызванное либо удалением источника, то есть движением в пространстве (эффект Доплера), либо расширением (раздуванием) пространства Вселенной, где источники удаляются друг от друга и, в частности, от нашей Галактики (космологическое красное смещение).
Вначале рассмотрим красное смещение, связанное с движением в пространстве. Если источник света движется к наблюдателю, то длина электромагнитной волны уменьшается (волны сжимаются) и это воспринимается как "синее смещение". Если же источник и наблюдатель удаляются друг от друга, длина волны увеличивается (волны растягиваются) и это воспринимается как красное смещение" (рис. 4).

Давайте разберемся, почему красное смещение для далеких галактик больше, чем для ближних?

Каждая галактика – это мощный источник испускания фотонов. Испущенные фотоны, воздействуя на окружающую среду Вселенной, возмущают её, и эти возмущения в виде электромагнитных волн (света) распространяются в пространстве, перенося энергию силового действия без переноса вещества, доставляя нам информацию о существовании галактик.
Здесь следует отметить, что волны, независимо от их происхождения, распространяются только в среде. Без среды волны не существуют.
Преодолевая огромные расстояния от галактик до наблюдателя электромагнитные волны, испытывая сопротивление среды, теряют свою энергию и постепенно затухают, подобно затуханию звуковых волн. Примером может служить то, что ближние галактики можно наблюдать невооруженным глазом, так как свет, проходя сравнительно небольшие расстояния, теряет незначительную часть своей энергии. Удаленные же галактики невооруженным глазом не видны, потому что свет, проходя огромные расстояния, теряет значительную часть своей энергии – затухает. И чем большее расстояние проходит свет, тем заметнее его затухание, тем краснее он становится.
Как видим, причиной красного смещения является уменьшение энергии световой волны в зависимости от пройденного расстояния, что приводит к постепенному её затуханию. Этим же объясняется и то, что красное смещение больше для далеких галактик, чем для ближних.
Теперь рассмотрим космологическое красное смещение.
В существующем понимании космологическое красное смещение вызвано расширением (раздуванием) самого пространства, которое в буквальном смысле растягивает длину световой волны, движущуюся к нам. Чем длиннее время путешествия света, тем больше растягивается его длина волны.
Иначе, рассматривается, как динамическое удаление источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, то есть как расширение Метагалактики. Если за время полёта света, идущего от далеких галактик, пространство расширилось в два раза, то и длина волны и волновой пакет увеличивается во столько же раз. Представьте себе сплошной резиновый шар, который мы каким-нибудь способом равномерно растягиваем (раздуваем) по всем направлениям. В какой бы точке этого шара ни находился наблюдатель, в центральной или любой иной, ему будет казаться, что все остальные точки шара от него удаляются, причём со скоростями, пропорциональными их расстояниям.
Раздувающийся воздушный шар – старая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны и размеры их не увеличиваются, поэтому испускают свет одинаковой длины волны. Но поскольку пространство, которое свет пересекает, расширяется (раздувается) и расстояние между галактиками увеличивается, то волны постепенно краснеют (рис. 5).

Вот так в наши дни представляется космологическое красное смещение.

Невероятность такого явления заключается в том, что невозможно даже представить, чтобы волны, испущенные источником, растягивались, как меха у гармони, а пространство – раздувалось, как резиновое изделие. Невероятным также выглядит и то, что при раздувании пространства плотность вещества Вселенной остается практически постоянной, а это противоречит здравому смыслу.
А тогда как, спросит читатель, можно объяснить такое явление?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего познать, а как возникла сама Вселенная?
О том, как возникла Вселенная объясняется в книге "Познание происхождения Вселенной и окружающего мира" [1].
Здесь следует только напомнить, что бесконечное пространство Вселенной представляет собой материю разноименных электрических зарядов – абсолютно стабильных электронов и позитронов, находящихся в состоянии электронно-позитронной плазмы при температуре абсолютного нуля, то есть в состоянии абсолютного покоя.
Начало объединения электрона с позитроном и явилось началом зарождения нашей Вселенной, где материальное пространство из состояния покоя переходит в состояние движения. При этом строго соблюдается всемирный закон сохранения, то есть сколько материи было в состоянии покоя столько её перешло и во Вселенную движения.
Как видим, никакого раздувания или растягивания пространства Вселенной нет и не может быть. Просто материя из одного состояния переходит в другое, то есть из состояния покоя в движение. Это, как ночь, отступая, переходит в день (рис. 6).

Значит, скажет читатель, раздувания или растяжения пространства нет, а тогда, как можно объяснить разбегание галактик друг от друга, в том числе и от нас (нашей Галактики)?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим условно изображенные схемы, иллюстрирующие изменения состояния галактик с течением времени (рис. 7 и 8).

На рис.7 иллюстрируется состояние галактик в начале наблюдения, где прямые линии АВ, АС, АD – это расстояния от внешних оболочек галактик 1, 2 и 3 до наблюдателя, находящегося на Земле, а FH, KL, MN – расстояния между галактиками.

Здесь следует отметить, что галактики занимают постоянное место в пространстве и не перемещаются, то есть имеют постоянную прописку во Вселенной. При этом свет, исходящий от галактик, излучается от их внешних оболочек, как источника испускания фотонов возмущающего окружающую среду и эти возмущения в виде электромагнитных волн (свет), преодолевая огромные расстояния, достегают наблюдателя.
С течением времени галактики (спиральные, шаровые и др.) эволюционируя, сжимаются вокруг своего центра (ядра) [3], и будут выглядеть так, как показано на рисунке 8.

Расстояния "ab, ad, ac" от галактик до наблюдателя и расстояния "rl, fh, mn" между галактиками стали значительно больше, что связано с их сжатием вокруг своего центра (без перемещения в пространстве), а это воспринимается как их разбегание, то есть как космологическое красное смещение.

Как видим, космологическое красное смещение не связано с "раздуванием" пространства Вселенной, а вызвано эволюцией галактик, то есть с их сжатием (может быть, со скоростью, установленной постоянной Хаббла), что воспринимается как разбегания галактик друг от друга и, в частности, от нашей Галактики.
Заключение. В статье показана реальная картина проявления звукового барьера. Раскрыта тайна сверхзвукового взрыва. Объяснена реальная причина проявления эффекта Доплера и объяснено, почему красное смещение для далеких галактик больше, чем для ближних. Раскрыта тайна космологического красного смещения, не связанная с "раздуванием" пространства Вселенной.