Rokiškis Rabinovičius

Bangų fizika visada būna baisiai kebliai paaiškinamas ir suvokiamas reikalas, o jos formulės būna tokios, kad kai į jas pažiūri, tai paskui išvis dingsta noras kažką aiškintis. Man kartą taip ir dingo, visam laikui – kai mokiausi apie kažkokius bangolaidžius ir antenas, o viena iš tų bangolaidžių skaičiavimo formulių pasirodė besanti viso puslapio dydžio, keliasdešimt eilučių visokių integralų, diferencialų, sinusų, kosinusų, kažkokių kitų daiktų ir taip toliau. Na, žinote gal, kaip atrodo didelės formulės. Jei nežinote – tai maždaug kaip nesveikas mažesnių formulių kratinys, į kurį pasižiūrėjęs, nežinai net, nuo ko ten jį pradėti skaityti.

Tai vat aš tada nusprendžiau, kad tų banginių funkcijų nesiaiškinsiu, nes to jau man per daug. Kiti nusprendžia dar anksčiau – kai pamato pirmąsias funkcijas, aprašančias kokios nors sinusoidės sklidimą kokiu nors laidininku. Ir, aišku, teisingai daro, es nėra čia ko savo galvą užsikimšti matematikomis, kurių nesupranti. Tai vat taip ir lieka žmonės nesupratę nieko apie jokias bangas.

Apie tas bangas kartais nesupranta net ir kai kurie visai rimtose mokslo įstaigose dirbantys žmonės – pvz., man kartą teko matyti kažkokio JAV universiteto puslapį, kuriame veikėjai aiškino, jog mikrobangėse krosnelėse maistas kaitinamas, naudojant dielektrinį kaitinimą, o patį tą dielektrinį kaitinimą dar aiškino kvantiniu vandens molekulių rezonansu. Tai buvo geras KPŠ, nes išties nei dielektrinis kaitinimas su tuo susijęs (dielektrinis kaitinimas yra paremtas dielektriko deformavimu elektriniame lauke ir dėl to išsiskriančia šiluma), nei ten kokie nors kvantiniai reikalai kažkuo dėti (tą irgi labai lengva patikrinti – distiliatas kaista prastai, o druskų tirpalai – tiesiog puikiai).

Akivaizdžiai kai kurių bangų teorijos reikalų netgi ir profeosriai kartais nesupranta, nes visa tai atrodo per baisiai. Kai kurie būna, kad pasižiūri į formules, išsigąsta, o tada eina ieškoti kokių nors kitų paaiškinimų, nes nuo tų formulių juos ištinka sinusoidinė galvos smegenų trauma. Vienas panašus fizikas po tokios traumos ėmė pasakoti apie tai, kaip radijo imtuvai paveikia žmonių DNR, o paskui kalbėti, jog ateiviai transliuoja į jo galvą balsus, o tada dar ėmė rašinėti į visokius laikraščius apie tai. Spėju, kad būtent dėl formulių sudėtingumo jam taip stogas nučiuožė. Na, bet aš čia nukrypau, atleiskit.

Bet čia aš visgi paaiškinsiu šiandien kai ką be formulių – taip, kad būtų aišku netgi kai nenori galvoti apie jokias ten sinusoides. Paveiksliukus pasižiūrėsit ir pamatysit, kaip tai veikia ir ką išvis reikia žinoti. Tiesiog tokių bazinių reikalų.

Kas tas yra kokia nors banga

Savo esme banga yra toksai energijos (judesio) perdavimas iš taško A į tašką B, kuriame, primeskit, kokia nors medžiaga nepersiduoda, nes judesys vyksta skersai bangos, nors energija perduodama išilgai. Štai taip vat ir primeskit, kas čia per nesąmonė – tai jau savaime toks dalykas, kur suprasti sunku.

Ir čia visai nesvarbu, apie kokią bangą mes kalbėtume – ir bangos vandenyje, ir garso bangos, ir elektromagnetinės bangos turi tą savybę, kad kažkas ten nejuda išilgai, nors lyg ir juda skersai, o rezultate išilgai banga persiduoda, o vat skersai – tik siūbuoja.

Tai vat, čia į paveiksliuką pasižiūrėkim ir atrodys, kad viskas labai aišku, bent jau, pvz., tokie dalykai:

• Bangos paviršius – tai ta sinusoidė, kuri banguoja. Dėl savo sinusoidiškumo ji labai bjauriai atrodo formulėse (iš to ten būna visokie sinusai, kosinusai, kvadratai ir taip toliau), todėl visi stengiasi prašokti per tas formules ir nieko nesimokyti ir išvis jas užmiršti kaip blogą sapną.
• Vidutinis bangos lygis – lyg ir nesvarbus, bet žiūrėkit: vanduo čia nesklinda nei kairėn, nei dešinėn, o tik bangomis svyruoja aukštyn-žemyn. Ir vidutinis vandens lygis lieka tas pats. Primeskit: vidutinis energijos lygis irgi lieka tas pats. Tai kaip ta energija perduodama kairėn ar dešinėn? Ogi taip ir perduodama – svyravimais, o ne vandens srautu.
• Bangos ilgis – čia tas atstumas tarp vienodą fazę (vienodą bangos tašką) atitinkančių gretimų bangos dalių. Jei paprasčiau – tai tarp viršutinių viršūnių ar tarp apatinių duobių.
• Atrodytų, kad bangos ilgis nesvarbus, bet išties tai jis esminis dalykas: kadangi vadens svyravimai vyksta tik aukštyn-žemyn, tai jei tų svyravimų padažninsim dvigubai, tai ta pati vadens masė bus per tą laiką nunešama dvigubai didesnį kelią – du kartus tuo pačiu atstumu. O tai reiškia, kad darbas irgi dvigubai didėja. O tai reiškia, kad ir energija dvigubai didėja. Iš to seka tokia paprasta formulė – bangos energija proporcinga jos dažniui.
• Jau iš ankstesnio punkto seka, kad jei perduodama energija (pvz., galia vatais ar kilovatais) nesiskiria, tai prie dvigubai aukštesnio dažnio bus dvigubai mažesnė bangos amplitudė. Kaip pvz., jei radijo siųstuvas ar kokia mobili pastotė spinduliuos 1 vatą dvigubai aukštesniu dažniu, tai lauko įtampa (poveikis aplinkai ar bangos aukštumas) bus dvigubai mažesnė. Dėl to reikės jautresnių imtuvų, nes kiekviena bangelė bus su dvigubai mažesne energija. Kita vertus, jei įtampa bus ta pati, tai energijos bus du kartus daugiau.
• Dar į paveiksliuką užmiršau įdėt bangos amplitudę, bet tai gal jau nėra svarbu, nes tai kaip ir savaime aiškus dalykas.

Atkreipkite dėmesį į paveiksliuke skęstantį fiziką – nors mechanizmus panagrinėsime kiek vėliau (vertikaliai fiziko kūnas daug kartų mažesnis už bangos ilgį), jis skęsta tik dėl to, kad vandenyje bando laikytis vertikaliai, todėl dėl kiek didesnės inercijos yra nardinamas bangon. Jei fizikas gulėtų ant nugaros (jo kūno ilgis pasidarytų sulyginamas su banga), vandens pasipriešinimo jau pakaktų, kad jis nebūtų taip užliejamas, taigi, jis ir neskęstų. Turėkit šitą omeny, jei jus kada nuneš į jūrą – taip ilgiau išsilaikysit vandeny ir bus truputį didesni šansai, kad jus kas nors pamatys ir ištrauks.

Bangos energijos perdavimas

Jau čia pastebėjome, kad net jei bangos sklinda kuria nors kryptimi, vandens srautas ta kryptimi visai nesusidaro, nes susidaro tik vertikalūs svyravimai, t.y., vertikalūs vandens judesiai. Aišku, yra išimtinių atvejų, pvz., tokių, kaip bangų mūšos zona pakrantėje, kur bangos tiesiog suardomos, tačiau bendras dėsnis toks: jei jūroje banga sklinda horizontaliai, tai pačios bangos energija (judesys) perduodama vertikaliai.

Iš to seka vienas labai įdomus bajeris, kuris labai svarbus ir laivyboje, ir radiotechnikoje, ir išvis visur, kur yra bangos.

Pasižiūrėkit į iliustraciją – ten joje yra trys plūdurai. Jei tarsim, kad visos bangos sustoję statiškai („Sustok, akimirka žavinga!„), tai jėgos, veikiančios plūdurus, pasiskirstys labai įdomiai: maži plūduriukai išvis negaus jokių juos laužančių jėgų, bus pusiausvyroje, t.y., kaip ir nepastebės net, kad kokios nors bangos yra (arba pastebės, kad kažko šokinėja), tuo tarpu didelis plūduras bus veikiamas lenkimo jėgų – vienos jo dalys bus keliamos viršun, o kitos – spaudžiamos apačion.

Nesunku suprasti, kad tie maži plūduriukai neveikiami jokių jėgų tiktai todėl, kad jų ilgis labai mažas. Sakykim, aiškiai neviršijantis ketvirčio bangos ilgio. Taigi, jiems kaip ir nusispjaut į viską. Jiems ir taip gerai. Jie šokinėja aukštyn-žemyn ir vargo nemato.

Taip pat nesunku suprasti, kad ilgas plūduras yra veikiamas didelių jėgų todėl, kad jo ilgis viršija bangos ilgį. Kai tas ilgis didelis – tai ten, kur bangos apatinė fazė, ten plūduras spaudžaimas žemyn savo paties svorio, o kur viršutinė – keliamas aukštyn dėl plūdrumo.

Jei pabandysime įsivaizduoti dar kokį nors objektą, kuris būtų pusės bangos ilgio, tai jo sąveika būtų jau sudėtingesnė, kažkiek priklausytų jau ir nuo to, kokioje bangos vietoje jis sėdi, bet tai jau daugiau bus kito skyriaus tema – apie banginį pasipriešinimą.

Tai va, grįžkim prie to plūduro – kai viskas paveiksliuke, tai atrodo nekaltai, bet kai viską perkeli iki realių laivų ir jūrų ar vandenynų lygio, tai jau gaunasi problemos. Įsivaizduokit, kad bangos ilgis yra kokie 50 metrų, amplitudė – kad ir 5 metrai, o laivo ilgis – panašus, kaip bangos ilgis arba didesnis. Kas gaunasi? Ogi gaunasi, kad keliasdešimt metrų ilgio laivui vienas galas bando išnert iš po vandens, o kitas – biškį kabo ore. Galit numanyti, kokios jėgos tą laivą veikia.

Laivų atveju tas bangų poveikis reiškia paprastą dalyką: skirtingiems vandenims skirti laivai būna skirtingo tvirtumo. Ir jei plaukiate kad ir dideliu laivu, skirtu ežerams, tai nereiškia, kad tuo laivu galite plaukti ir jūra. O jei plaukiate kad ir dideliu laivu, skirtu kokiai nedidelei jūrai (pvz., Baltijos), tai nereiškia, kad tuo laivu galėtumėte plaukti kokiu nors vandenynu. Ir tai ne tik dėl laivo plūdrumo – tai tiesiog dėl laivo tvirtumo. Vandenyno bangos kokį nors mažų jūrų laivą gali tiesiog sulaužyti į gabalus – ir visiškai ne kokia nors perkeltine prasme – sulaužo realiai.

Tuose pat vandenynuose, kur gabalais sulūžta dideli laivai, visai nesulūžta maži laveliai, kurių ilgis yra daugybę kartų mažesnis, nei bangos ilgis. Tie maži laiveliai, jei tik jiems pakanka plūdrumo, šokinėja aukštyn-žemyn, klaikiai užsupdami jų įgulas, bet lūžti ir skęsti nei negalvoja.

Bangos ilgis yra lemiamas dalykas, nesvarbu apie kokias bangas bekalbėtume.

Garsas, infragarsas ir ultragarsas

Garso bangos (jei tiksliau – tai akustinės bangos, bet nesigilinkim, o kalbėkim kaip paprasčiau) bene geriausiai rodo tą bangų sąveiką su visokiais dalykais.

Čia tik reikia vieną niuansą žinoti – kad pačios garso bangos ilgis gerokai priklauso nuo temperatūros, nes nuo temperatūros priklauso garso sklidimo greitis, o vat patį garso aukštumą ar žemumą mes jaučiame pagal dažnumą, o ne pagal bangos ilgį (čia dėl to, kad kaukolės viduje turime vienodą temperatūrą). Skaičiavimuose garso greitį imsim kaip 343 metrus per sekundę.

Dažnumas čia matuojamas hercais – vienas Hz reiškia vieną virpesį per sekundę. Kažkurie apytiksliai santykiai tarp garso bangos ilgių ir dažnių čia jums lentelėje – joje sužymėti ir garsai, kurie būna panašaus dažnio, kaip minimi:

	Bangos dažnis	Bangos ilgis
Infragarsas	<16Hz	>21,4m
Žemiausias žmonių girdimas garsas	16Hz	21,4m
Transformatorių gausmas (elektros tinklų dažnis)	50Hz	7,9m
Praskrendantis lėktuvas, pravažiuojantis traukinys, griaustinis	250Hz	1,4m
Karvės mūkimas, būgnais mušamas ritmas	500Hz	68,6cm
Mašinos signalas, laikrodžio gegutė, varlių kvaksėjimas	1kHz	34,3cm
Kūdikių verkimas, kačių miaukimas ir paukščių čiulbėjimas	2kHz	17,2cm
Dūžtantis stiklas, vaikiškas barškutis, dulkių siurblys	4kHz	8,6cm
Žiogų čirpimas, stiklo taurių skambesys	8-10kHz	4,3-3,4cm
Uodo zyzimas, viršutinė žmogaus klausos riba	16-20kHz	2,1-1,7cm
Ultragarsas	>20kHz	<1,7cm

Aišku, lentelėje išskirti tiesiog tipiškesni dažniai, realiai jie gali gerokai skirtis – pvz., kad ir mušamųjų garsas gali siekti ir kelis kart aukštesnį dažnį. Tiesiog išskirti tipiniai dažniai.

O dabar žiū: pvz., jei kalba eina apie infragarsą, tai jei neskaitysime visokių mitologijų, skleistų prieš gerą pusę šimtmečio (pvz., apie rudąsias bangas, sukeliančias viduriavimą), tai šiaip jau infragarso mes negirdime. Bet galime jausti jį – kaip siūbavimą. Pvz., žemės drabėjimas sklinda iki kokių poros Hz dažniu – tai vat ir jaučiame (šokinėdami aukštyn-žemyn ar į šonus svyruodami – kaip tie maži plūduriukai vienoje iliustracijoje), bet negirdime. Tiesiog ausys nepajėgios – per mažos jos tokiems dažniams.

Beje, jei jau apie tą rudąjį garsą – legendą apie jį išgalvojo kažkokie JAV fizikai, kurie garso bangomis užsiimdinėjo – tai kažkur nugirdę, jog žarnynas yra labai ilgas, sumąstė teoriją apie jo rezonansinius dažnius, dėl kurių, atleiskit, paskleidus tam tikro dažnio infragarsą, išmatos pradeda labai smarkiai vibruoti ir dėl to pareina fontanais (nuo to ir pavadinimas – rudieji dažniai). Deja, jei rimtai, tai žmogaus žarnyno ilgis yra apie 11 metrų, rezonansą turinčios bangos turėtų būti puikiai girdimos ausims, bet kažkaip niekam tokio stebuklingo viduriavimą sukeliančio garso nepasitaikė išgirsti. Na, kita vertus, legenda graži, ar ne?

Išties infragarso kaip nors viduriais negalime mes pajusti – per maži tie mūsų viduriai. Ką jaučiame – tai siūbavimus, o ir tuos jaučiame tik savo vidinės ausies dėka, kuri jaučia mūsų kūno padėties pokyčius. Kito būdo pajusti infragarso poveikį nėra.

Kita vertus, ultragarso nors ir negirdime, bet galime jį puikiausiai jausti. Pvz., žemadažnis ultragarsas naudojamas dantų apnašoms nuimti (ir jis netgi girdisi, kai galingumas didelis, kaip dantis valant). Dar didesnių dažnių ultragarsas naudojamas, pvz., šiaip visokių apnašų valymui nuo visokių mechanizmų, detalių valymui nuo tepalų ir pan., o dar aukštesni dažniai (kartais siekiantys ir gigahercus) naudojami emulsijoms ar koloidams sudaryti. Beje, ultragarsas dar būna naudojamas pienui pagerinti, kad susidarytų itin smulki emulsija, kuri nenusistovi – tokio pieno paviršiuje net per kelias savaites nenusistovi grietinėlė, nes dalelės per daug susmulkintos.

Skirtingai nuo infragarso, ultragarsas gali būti pakankamai pavojingas, jei tik jo šaltinis pakankamai galingas – gali tiesiog ardyti žmogaus audinius. Čia, aišku, kalba jau eina apie pakankamai aukštus dažnius, paprastai jau iš megahercų diapazono.

Beje, čia reikia neužmiršti, kad vandenyje garso greitis daug kartų didesnis, nei ore (apie 1500m/s) – atitinkamai, garso bangos ilgesnės. Bet veikimo mechanizmai tie patys – prie normalių galingumų kažką kenksmingo padaryti gali tik bangos, kurių ilgiai sulyginami su, pvz., ląstelių dydžiu. Atsimenate apie tuos lūžtančius laivus? Tai čia iš tos pat serijos – kad audiniai būtų pažeidžiami, judėti turi pakankamai smulkios dalelės, o tai reiškia, kad ir banga turi būti trumpa. Realiai pavojingos gali būti tokių dažnių ultragarsinės bangos, kur bagos ilgis būtų panašus į kūno ląstelės ilgį.

Elektromagnetinių bangų ilgiai ir poveikiai

Apie garso bangas jau pakalbėjome – pamatėme, kaip nuo to bangos ilgio priklauso poveikis. Tas pat yra ir su elektromagnetinėmis bangomis, tik ten viskas gal netgi dar akivaizdžiau.

Ilgiai į dažnius ar dažniai į ilgius čia irgi labai paprastai perskaičiuojami, tik čia jau remiantis ne garso, o šviesos greičiu. Anas sudaro grubiai apie 300 tūkstančių kilometrų per sekundę.

Beje, tiems, kas mokyklose nesimokėte ar šiaip dėl kažko atsilikote, tai pasakysiu netikėtą dalyką: šviesa ar šiluma – tai irgi elektromagnetinės bangos. Tokios pat, kaip ir radijo bangos, tik jau realiai labai trumpos.

Štai jums elektromagnetinių bangų ilgių lentelė (hercų čia jums neskaičiuosiu, bet to ir nereikia, nebent radijo bangoms):

	Bangos ilgis	Bangos dažnis
Ultrailgosios radijo bangos (naudojamos ryšiui su povandeniniais laivais) – ELF, SLF, ULF, VLF	10+km	<30kHz
Ilgosios (kilometrinės) radijo bangos (galite jų diapazonus rasti labai senuose radijo imtuvuose) – LF	1-10km	30-300kHz
Vidutinės (hektametrinės) bangos (senais laikais buvo pagrindiniu radijo imtuvų diapazonu) – MF	100-1000m	300kHz-3MHz
Trumposios (dekametrinės) bangos (tos, per kurias sovietmečiu žmonės klausydavosi Amerikos balso, Laisvės radijo ir pan.) – HF	10-100m	3-30MHz
Ultratrumposios (metrinės) bangos (muzikinės radiostotys, senesnių laikų TV) – VHF	1-10m	30-300MHz
Decimetrinės bangos (TV, mobilūs telefonai (nuo GSM iki 5G apačios), mikrobangės krosnelės, GPS, WiFi, Bluetooth) – UHF	1000-100mm	300MHz-3GHz
Centimetrinės bangos (palydovinis ryšys, naujesnių kartų kompiuterių ryšys, viršutinė 5G dalis, radijo lokatoriai, šiltakraujai gyvūnai, įšilę aplinkos objektai) – SHF	100-10mm	3-30GHz
Milimetrinės bangos (radijo lokatoriai, palydovinis ryšys) – EHF	10-1mm	30-300GHz
Decimilimetrinės bangos, aka tolimasis infraraudonasis (šiluminis) diapazonas (tolimojo IR videokameros, matymas kiaurai sienas ir pan.) – THF	1-0,1mm	300GHz-3THz
Tolimasis infraraudonasis diapazonas (pastebėkim, kad užima ir visą aukščiau minėtą decimilimetrinių bangų diapazoną ir netgi dalį milimetrinio diapazono)	2mm-50mkm	600GHz ir daugiau
Vidutinis infraraudonasis diapazonas (šiluminės video ir foto kameros, tolimojo infraraudonojo stebėjimo priemonės (pvz., raketų šiluminės nusitaikymo galvutės) ir pan.)	50-2,5mkm
Artimasis infraraudonasis diapazonas (tolimasis infraraudonasis ryšys, paprastos naktinio matymo kameros, šviesolaidinis ryšys, distanciniai pulteliai, IrDA ir pan.)	2,5mkm-740nm
Matomasis diapazonas su visomis spalvomis (raudona 740-630nm, oranžinė 630-590nm, geltona 590-570nm, žalia 570-510nm, žydra 510-480nm, mėlyna 480-450nm, violetinė 450-400nm)	raudona 740-400nm,
Minkštasis ultravioletas, praleidžiamas atmosferos, artimas paprastai šviesai	400-315nm
Vidutinis ultravioletas, dalinai sugeriamas ozono sluoksnio atmosferoje, sukeliantis įdegimą, o per dideliais kiekiais – odos pažeidimus	315-280nm
Kietasis ultravioletas, praktiškai pilnai sugeriamas ozono sluoksnio, pastebimas tik aukštai kalnuose, naikina mikroorganizmus, naudojamas antibakterinėse ultravioletinėse lempose, dideliais kiekiais gali sukelti sunkius odos nudegimus	280-100nm
Vakuuminis ultravioletas, dalinai persidengiantis su kietuoju – taip vadinamas dėl to, kad jį sugeria įvairiausios dujos, tad jis sklinda tiktai vakuumu. Pavojingumu lenkia įprastą ultravioletą, tačiau Žemės paviršiaus jis nepasiekia.	200-10nm
Rentgeno spinduliavimas arba minkštasis gama spinduliavimas – platus diapazonas (ilgiausios Rentgeno bangos yra 2000 kartų ilgesnės už trumpiausias), pavojingas sveikatai, ardantis ląsteles, tačiau praeinantis kiaurai visokias medžiagas – todėl naudojamas Rentgeno aparatuose.	10nm-5pm
Gama spinduliavimas arba kietasis Rentgeno spinduliavimas (kartais gama diapazonui priskiriamas ir šiaip visas Rentgeno diapazonas), susidaro kosminiuose procesuose, skylant radioaktyvioms medžiagoms ir pan., spinduliavimas yra itin pavojingas gyvybei.	<5pm

Iš šito elektromagnetinių bangų ilgių palyginimo matosi kažkiek įdomių dalykų – pvz., kad ir tai, jog netgi šimtus kilovatų siekiantys trumpabangiai ar vidutinių bangų siųstuvai iš principo negali sukelti pavojaus, netgi kai yra visiškai šalimais (panašūs, beje, per visą sovietmetį stovėjo viduryje Vilniaus, eikvodami brangią vietą). Tiesiog tos bangos tokio ilgio, kad negali paveikti žmogaus ir viskas.

Nedaugelis žino, bet galingiausiu pasaulyje trumpųjų ir vidutinių bangų šaltiniu yra Žemės atmosfera – žaibai čia generuoja tokio stiprumo radijo bangų impulsus, kad jokios radijo stotys neprilygtų – ten gigavatai eina išlydžiais. Kur nors vykstančią audrą radijo imtuvu galima išgirsti iš už tūkstančių kilometrų.

Netoli kirtęs žaibas duoda tokį radijo impulsą, kad iškepinti gali bet kokius prietaisus, jei tik jie prijungti kokiais nors pakankamo ilgio laidais prie bet ko. Laidas suveikia kaip antena, paduoda į prietaisą impulsą – ir žiū, jau koksai nors telikas ar kompiuteris sudegęs. Kad taip neatsitiktų, visur būna pridaroma visokių ten apsaugų, bet ne visada jos padeda. Bet nors prietaisai ir dega, žmonės tų bangų nei nepajunta – žmonių gabaritai maži, tai vat ir nėra sąveikos.

Kita vertus, jei jau imsime kilovatinę mikrobangų krosnelę, dirbančią labai aukštame radio diapazone, kur bangos trumpos – tai su kilovatu galima gana daug maisto iškepti. Bet tik nedideliame tūryje, maždaug kibiro didumo. Jei stovėsite per kelis metrus nuo atidarytos veikiančios krosnelės, tai nieko ir neatsitiks – kūnas gaus vos kokį procentą tos energijos, o ir tai per visą tūrį, tad efekto bus nulis.

Dar aukštesni dažniai (šiluminis spinduliavimas) veikia jau stipriau ir yra pavojingesni – labai stipri šiluma, kaip žinia, gali ir labai staigiai apdeginti. Spėju, kad visi, kas čia skaito, yra tokių apsideginimų patyrę. Išties šiluma tėra tas pats reikalas, kaip ir mikrobangės krosnelės bangos, tik kad dažnis aukštesnis.

Kalbant apie šiluminį spinduliavimą, įdomu yra dar ir tas, kad su apsideginimais matosi, kaip keičiasi spinduliavimo šaltinio pavojingumas, nuo to šaltinio tolstant. Kaip pvz., cigaretės žarija gali apdeginti tik kai yra kontaktas (netgi milimetro nuotolis jau nuo jos apsaugo), kokio centimetro atstumu dar galima jausti šilumą, tačiau netgi šviesiu metu galime informacinę sudedamąją (matomą šviesą) matyti ir už dešimties metrų, ir dar toliau. T.y., palyginus, pavojingas cigaretės spinduliavimo nuotolis yra mažiau kaip vienas milimetras, bet informacijos perdavimo nuotolis – bent dešimt metrų, t.y., dešimt tūkstančių milimetrų.

Kas dar įdomu apie tą patį šiluminį spinduliavimą – tai tas, kad ultraaukšto dažnio radijo bangų spinduliuotuvais (tas tolimas infraraudonasis diapazonas) esame kiekvienas iš mūsų (visi spinduliuojame kelis kartus aukštesniu dažniu, nei 5G ryšys) – tiesiog dėl to, kad skleidžiame šilumą (tą pačią šilumą, kurią jaučiame, pvz., jei vienas kitą liečiame). Kiek pavojingesni už mus pačius yra tokie šilumos šaltiniai, kaip, pvz., atvira ugnis, kuri mūsų dažniais irgi spinduliuoja. Jei per arti būsi – tai gali ir apsideginti.

Matomoji šviesa irgi gali apdeginti, jei labai stipri – tą žino kai kurie, kas anais senais laikais darydavo magnio bombikes. Kartais taip jiems šviesos blyksnis nudegindavo, kad taip ir likdavo aklais. Žodžiu, šviesa irgi būna pavojinga.

Dar labiau gali apdeginti ultravioletiniai spinduliai – nuo persideginimo saulėje gali ir oda pradėti luptis. Manau, kad visi yra patyrę šiokių tokių nudegimų nuo ultravioleto, tokių, kur skauda. Aš pats kartą esu matęs net ir tokį nudegimą nuo saulės, kur liko realūs randai, matomi ir po daugelio metų (ir nudegimas buvo gautas mūsų platumose). Saulė būna pavojinga, o ji išties yra pakankamai galingas spinduliavimo šaltinis.

Kita vertus, jei tik spinduliavimo šaltinis nėra baisiai galingas, visas tas diapazonas iki artimojo ultravioleto mums yra įprastas ir labai saugus, nes mes milijardus metų jame gyvename (visame tame diapazone eina daugybė spinduliavimo iš Saulės ir pan.). Pavojų čia gali kelti nebent jau tokie galingumai, kurie akivaizdžiai didžiuliai – pvz., tokie, kaip besikūrenanti krosnis, į kurią galime banaliai apsideginti.

Kita vertus, dar aukštesnių dažnių (trumpesnių bangų) diapazonai jau ima darytis pavojingais – jie gali kelti pavojų netgi tada, kai galingumai yra gana saikingi. Įprastai mus nuo šitokio spinduliavimo apsaugo Žemės atmosfera, bet kartais visgi mums gali tekti su tuo susidurti.

Ultravioletiniai spinduliai išties priartėja prie dydžių, kurie smarkiai mažesni už mūsų ląsteles ar netgi jų branduolius, o jau darosi panašūs į dideles baltymų molekules, kažkuriuos baltyminius ląstelių paviršiaus kompleksus, DNR molekules ir pan. – štai ten ir ima reikštis tie efektai, kur bangos gali laužyti gabalais kažkokius objektus. Atitinkamai, tokios bangos ir yra kenksmingos.

Jei žemutinis ultravioletas dar gana saugus, tai kietasis, toks, koksai būna aukštai kalnuose, nesugertas atmosferos (arba toks, koks gali kilti dėl ozono skylės) – jau realiai pavojingas. Dar pavojingesnis yra Rentgeno arba gama spinduliavimas, kuris gali skaidyti ir DNR moekules, ir dar belenką.

Čia, beje, verta atsiminti: kai koks nors nupušęs fizikas papasakoja, kad mobilus ryšys gali skaidyti DNR, tai jau galite pasidaryti išvadas apie tokio fiziko žinias – supainioti Rentgeno diapazoną su radijo dažniais – čia reikia neeilinių sugebėjimų. Ne šiaip sau legendos apie visokius psichotronus čia atsiranda.

Išties ne visi dalykai būna akivaizdūs: pvz., XIXa. pabaigoje niekas nežinojo to dėsnio, kad spinduliavimo pavojingumas (fotono energija) priklauso nuo bangos ilgio, ir net neįtarė, kad Rentgeno atrasti X spinduliai irgi yra elektromagnetinės bangos. Taigi, anais laikais daugelis su tais spinduliais eksperimentavusių žmonių tiesiog nesisaugojo – o paskui turėdavo kaip reikiant sveikatos problemų. Šiais laikais tie dėsniai ir pavojingi lygiai labai gerai žinomi, bet tam prireikė nemažai metų.

Kita vertus, čia visvien prisiminkime, kad netgi pavojingi Rentgeno spinduliai vis dar naudojami – būtent jie padarė tikrą revoliuciją chirurgijoje, o vėliau – ir kai kuriose kitose medicinos srityse. Kol nebuvo Rentgeno aparatų, chirurgams tekdavo dirbti aklai. Taigi, kartais net ir pavojingos bangos realiai gelbsti gyvybes – būtent dėl to, kaip naudojamos.

Žodžiu, reziumuojant šį skyrių, čia mes matome tą patį, kaip ir skyriuje apie akustines bangas – pavojus atsiranda ten, kur atsiranda realiai trumpos bangos, tokios, kurios ne tik galingos, bet ir mažesnės už esmines mūsų dalis – už ląsteles.

Susigaudyti čia paprasta: jei banga ilgesnė už matomąją šviesą (dažnis mažesnis) – reiškia, kad tvarkoje ir pavojus gali būti nebent jei galingumas bus kaip pečiaus, o ir tai tik nedideliu atstumu. Bet jei bangos trumpesnės, negu matoma šviesa – tai jau elgtis reikia atsargiai.

Banginis pasipriešinimas

Galų gale čia jums papasakosiu apie dar vieną reiškinį – apie banginį pasipriešinimą, kuris jau yra iš tos sudėtingosios banginės fizikos dalies.

Kadaise, kai įvairios valstybės kūrė pirmuosius viršgarsinius lėktuvus, būdavo daug katastrofų. Itin daug jų buvo SSRS, kur tiesiog nebuvo gerų aerodinamikos specialistų – tai anos kuriami lėktuvai neretai tiesiog gabalais suplyšdavo, kai priartėdavo prie garso greičio. Tiesiog vat taip – skrenda lėktuvas, pasiekia beveik garso greitį ir tik pyst – ir nulūžta jam visa uodega. Ir nukrenta. Aišku, ir lėktuvas tada susivarto, o tada jau ir likusi dalis suplyšta gabalais. Ir aišku, pilotas gyvas neišlieka.

Jėgos, kurios suplėšydavo lėktuvą, ten būdavo panašios į tas, ankstesniame skyriuje nagrinėtas, kur ilgas plūduras gabalais gali sulūžti. Tik vat tos jėgos aerodinamikoje suprantamos gerokai sunkiau, ir jos nėra labai akivaizdžios. Visos tos jėgos kyla iš banginio pasipriešinimo, tik vat sovietiniai aviacijos konstruktoriai apie tokį pasipriešinimą ilgokai negalvojo. Sunku pasakyti, kiek dėl to žuvo lakūnų bandytojų – panašu, kad ne viena dešimtis.

Amerikiečiams su tuo irgi buvo bėdų, nors daug daug mažiau, nei sovietams – visgi mokslo lygis JAV buvo daug geresnis. Taigi, jie nuo pat pradžių žinojo, kad čia veikia poveikiai, panašūs, kaip ir laivuose, tad išvengė nenumatytų katastrofų, o paskui tą banginį pasipriešinimą ore ištyrinėjo kaip reikiant.

Kaip paaiškėjo, lėktuvai, priartėję prie garso ribos, ima slėgti orą, o tas slėgis nespėja išsisklaidyti – suslėgtas oras nemaža dalimi velkasi kartu su lėktuvu ir sukuria papildomą pasipriešinimą. Žodžiu, gaunasi lygai taip, kaip ir laivams, kurie priešais save sukuria bangą.

Laivų atveju viskas labai nesunkiai pavaizduojama grafiškai: laivas stumia priešais save vandenį, ir kuo greičiau jis juda, tuo didesnę bangą sukuria. Kažkuriuo momentu ta banga gali pasidaryti ilgesnė už patį laivą. Ir štai tada jau prasideda kaip reikiant pasipriešinimas – laivui tenka lipti jo paties sukurta banga į viršų. Būtent taip, kaip iliustracijoje lipa į bangą mažesnis laiviukas.

Jei laivo ilgis didelis, toksai, kaip bangos ilgis, ar didesnis – tai ta banga didelių bėdų nesukuria. Bėda gaunasi tik tada, kai ta banga jau per ilga. Tada laivo energija tiesiog ištaškoma.

Ankstyvų viršgarsinių ar tiesiog greitų subgarsinių lėktuvų atveju ta energija išsitaškydavo ne tiek į šonus, kiek į lėktuvo konstrukciją – todėl ir nulūždavo tai aukščio vairai, tai visa uodega, tai sparnai, tai dar kas nors. Tos problemos būdavo itin sunkios dar ir todėl, kad panašios bangos susikaupdavo kokioje nors konkrečioje vietoje. Ta vieta ir gaudavo laužančias apkrovas.

Čia primeskit: lėktuvas kelia triukšmą – triukšmas sklinda garso greičiu. O lėktuvui priartėjus prie garso greičio, kas gaunasi? Ogi tas, kad paties lėktuvo sukelta garso banga juda, o lėktuvas su ja juda tuo pat greičiu, kaip ir pati banga. Žodžiu, garso bangoje suslėgtas oras ne išsisklaido, o tik kaupiasi, skrisdamas su lėktuvu.

Kita vertus, kartais tą banginį pasipriešinimą gaunasi ir naudingai panaudoti: pvz., jei laivo forma yra tinkama, o variklio galia pakankamai didelė, laivas gali užlipti ant tos bangos ir paskui jau plaukti jos viršumi, papildomos energijos jau nesunaudodamas, o kai kada – netgi smarkiai sumažindamas energijos sąnaudas. Toks režimas vadinamas glisavimu, jo dėka kateriai gali plaukti kraštutinai greitai.

Su viršgarsiniais lėktuvais irgi yra kažkas panašaus – dėl perteklinio greičio jie gali pakilti į daug aukštesnius, įprastiems lėktuvams neprieinamus atmosferos sluoksnius, o ten – skristi mažesnio pasipriešinimo sąlygomis – tai kažkuo artima tam pačiam glisavimui. Teoriškai (deja, vis dar daugiau teoriškai) gaunasi taip, kad koks nors viršgarsinis keleivinis laineris galėtų ne tik porą-trejetą kartų greičiau kur nors nuskristi, bet ir degalų tai kelionei gerokai mažiau sunaudoti.

Jei kalbam konkrečiau – viršgarsiniame greityje vietoje Bernulio dėsnio (didesnis greitis – mažesnis slėgis) ima veikti Niutono dėsnis (poveikis tolygus atoveiksmiui) – visa aerodinamika dėl to keičiasi ir lėktuvas su oru sąveikauja jau pagal kiek kitus dėsnius, nei tie, kurie veikia ikigarsiniu atveju. Taip ir gaunasi tas skridimas ant garso bangos.

Deja, kalbos apie didesnį greitesnių lėktuvų ekonomiškumą vis dar yra daugiau teorija – bene vienintelis iš lėktuvų, rimtai naudojęs aerodinaminę bangą ir ekonomiškiau skridęs didesniu greičiu, buvo anoksai JAV gamintas žvalgybinis lėktuvas SR-71 Blackbird, kuris lėktuvo nosies sukeltą bangą panaudodavo papildomam savo variklių pripūtimui (banga nueidavo tiesiai į variklių oro paėmimo angas), dėl to gaudamas dar didesnį greitį ir aukštesnes skrydžio lubas, nei įprasta. SR-71 nuostabumas tame ir buvo – didesniu greičiu skrisdamas, jis būdavo ekonomiškesnis – būtent kaip gliseris.

SR-71 dešimtis metų buvo naudojamas žvalgybai, skraidydavo tai SSRS pakraščiais, tai virš kokios nors Šiaurės Korėjos, tai dar kur nors. Į jį šaudydavo ir šaudydavo, tačiau numušti jo niekam nepavyko – dėl didžiulio greičio jis tiesiog pabėgdavo nuo raketų. SR-71 buvo toksai geras, kad netgi šiais laikais JAV kariškiai burba ant Kongreso, kad apie kokius 1990 nustojo finansuoti tą programą – nors praėjo pora dešimtmečių, iki šiol dar neatsirado pilnaverčio pakaitalo.

Su SR-71 buvo viena neišsprendžiama problema – tie greičiai buvo labai jau dideli, kad kurie paviršiai imdavo šviesti raudonai nuo trinties į orą, o šilumos tas lėktuvas gaudavo tokį perteklių, kad visada buvo rizika, jog iškepins savo įgulą. Taigi, šitaip greitai skristi gaudavosi tik labai neilgą laiką, paskui tekdavo keisti perkaitintas dalis ir panašiai – visa tai buvo labai brangu.

Tai va tiek jums šiandien apie visokias bangas – ir dideles, ir mažas, ir pavojingas, ir naudingas.