авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК ПОД РЕДАКЦИЕЙ Э. В. ШПОЛЬСКОГО ТОМ XXVI ВЫПУСК 2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Но поскольку это явление остаётся обратимым до самых низких тем ператур, возникает возможность сделать очень интересные практические выводы. Если проталкивать гелий насосиком или каким-либо другим путём через тонкие капиллярные щели в некоторый объём,—температура в этом объёме ощутительно понизится. Повторял эту операцию несколько раз, мы получаем a priori метод для понижения температуры сколь-угод но низко, и, таким образом, для нас откроется путь приближения к абсолютному нулю сколь-угодно близко. Этот вывод имеет важное зна чение для экспериментатора, поскольку до сих пор не существовало ещё метода, даже теоретического, для приближения к абсолютному нулю сколь-угодно близко. Самым эффективным являлся до сих пор метод магнитный (основанный на размагничивании парамагнитных солей, связан ным с их охлаждением), который как теоретически, так и практически имел свои ограничения. Этот путь, указанный сперва Ланжевеном и далее развитый 'Дебаем и Джиоком, позволил достигнуть температур порядка 1/100 градуса от абсолютного нуля. Но этот магнитный метод имеет теоретические пределы для получения низких температур, обуслов ленные взаимодействием магнитных моментов атомов охлаждаемых солей.

Между тем, мы не видим «ещё причины, почему мы не можем посредством описанного метода протекания жидкого гелия-И как угодно близко прибли жаться к абсолютному нулю, используя эти особые свойства жидкого гелия-Н как холодильного агента.

Как раз накануне войны мы начали в наших работах развивать этот метод и сделали несколько успешных опытов в этом направлении. Мне удалось этим методом получить понижение температуры на 0,4°. Но после эвакуации в Казань работу с гелием восстановить нельзя было. Теперь эти опыты мы предполагаем продолжить. Конечно, получение температур в непосредственной близости к абсолютному нулю новым методом является технически нелёгкой задачей и сразу на его удачу рассчи тывать трудно. Тут много технических трудностей и успех во мно гом зависит от искусства и изобретательности экспериментатора. Но' все эти возможные затруднения не будут означать, что существу ют какие-то принципиальные запреты для приближения к абсолютно му нулю.

Но ^перейдём теверь к теоретическому объяснению механизма явле ния вытекания жидкого гелия из сосудика при его нагревании (рис. 1).

Как я уже говорил, первоначально я объяснял явление заполнения со судика гелием течением гелия в обратном направлении в тонком слое.

Я предполагал также, что энергетическое состояние гелия-Н в этом тон ком слое отличается от энергетического состояния свободного гелия-Н, и, О CBEP.\TLKV'ILC ГИ ЖИДКОЮ 1ЦШЯ-11 таким образом, можно было объяснить кажущуюся большую теплопро водность гелия. Так же можно было примерно подсчжать возможную толщину этого слоя так, чтобы скорость течения гелия в нём не прини мала чрезмерно большое значение. Далее, как говорилось, я пытался в своих опытах обнаружить толщину этого слоя экспериментально. Для этого я заставлял течь гелий в очень гонком слое. Постепенно я дошёл до толщины слоя гелия в 0,00014 мм, но опыт показал, что характер всех явлений при этом сохранился. Таким образом, это объяснение при шлось пересмотреть, и это привело к совершенно новым воззрениям на природу гидродинамических явлений в гелии-П. Первые наброски этих идей были высказаны Тиссой 4, но научная разработка их, подведение под них теоретического обенования и создание гидродинамической теории явления принадлежат нашему ученому Л. Ландау 5.

Постараюсь дать самую общую картину этих взглядов. Соглас но этой теории тот противоток, который я пытался объяснить течени ем гелия в одном энергетическом состоянии по стенке другого вн\ три бульбочки, заменяется противотоком гелия, происходящим в са мом себе.

Объяснение этого явления, данное Ландау, заключается в следую щем.

Жидкий гелий представляет собой как бы смесь двух* жидкостей. Эти две компоненты жидкого гелия находятся в двух различных квантовых состояниях. Благодаря этому он показал, что могут существовать одно временно встречные течения одной и той же жидкости, которые мы и наблюдаем в горлышке сосудика на рис. 1.

Если бы это теоретическое положение не было так полно ' подкреп лено экспериментальными доказательствами, оно звучало бы как идея, которую очень трудно признать разумной.

Теория Ландау хорошо описывает физическую сущность тех двух состояний, в которых гелий может одновременно существовать при тем пературах ниже -точки. Как я уже говорил, если гелий после сжиже ния продолжать охлаждать, то он находится в состоянии обычной жидко сти вплоть дО 2,19° абс, т. е. -точки. Тогда согласно теории Ландау в этой жидкости появляется в качестве как бы примеси гелий в новом состо янии. Это новое состояние характеризуется с термодинамической сто роны нулевой энтропией,а физически в нём отсутствует вязкость. Этот гелий представляет собой жидкий гелий-П в том состоянии, в каком он был бы весь при абсолютном нуле. Но при всякой другой температуре одновременно с этим состоянием существует как бы смешанный с ним гелий и в нормальном состоянии. По мере понижения температуры концен трация гелия в нормальном состоянии падает и, наоборот, сверхтекучее состояние гелия начинает преобладать. Только при абсолютном нуле весь гелий согласно теории должен перейти в сверхтекучее состояние. Эта кар тина достаточна для описания наблюдённых нами явлений. Например, явление, наблюдаемое в опыте с перетеканием гелия из колбочки, изо бражённой на рис, 1, объяснится следующим образом. Поскольку гелий в сверхтекучем состоянии не испытывает трения ни о стенки, ни о ге лий, находящийся в нормальном состоянии, поток, текущий iio капилляру, 142 П. Л. КАПИЦА не создаёт реакции трения и может как бы незаметно наполнять сосудик.

Наоборот, гелий в нормальном состоянии течёт из сосудика с хрением, и поток его является обычным потоком жидкости, давно изученным ги дродинамикой. Этот норма-ный поток и улавливается крылышком, постав ленным перед горлышком трубочки на рис. 1, в то время как идущий ему навстречу поток гелия в сверхтекучем состоянии обычными методами не удаётся обнаружить.

На основании этой же картины можно объяснить и большую тепло проводность гелия-Л. Как видно, в сосуд попадает гелий в состоянии нулевой энтропии, а возвращается гелий в нормальном состоянии. Чтобы превратить гелий из одного состояния в другое, нужно затратить за метное количество тепла. Такой процесс своеобразной конвекции и соз даёт впечатление большой теплопроводности гелия-П.

Все эти явления, для объяснения которых требуется представить иебе сложные взаимодействия между двумя различными состояниями одной с той же жидкости в одном и том же объёме, с трудом укладываются в на ши привычные рамки даже физического мышления. Чтобы попытаться не сколько облегчить хотя бы поверхностное восприятие этой сложной картины механизма теплопроводности гелия-Н, я позволю себе прибегнуть к аналогии с теми встречными потоками одетых и неодетых людей, которые цирку лируют по проходу в раздевалке театра. Одетые — будут представлять со бой нормальные атомы гелия, получившие около нагревателя («в разде валке») нужную им энергию, а неодетые ·—это сверхтекучие атомы гелия.

К сожалению, аналогия более чем неполная, так как атомы гелия в со стоянии нулевой энтропии проходят мимо своих собратьев в нормаль ном состоянии без всякого взаимодействия, тогда как не получив шие пальто никак не могут продвигаться через толпу без сильного трения.

На основании этой картины можно объяснить, почему при протека нии гелия-П через узкое отверстие или щель появляется разность тем ператур. Так как гелий в сверхтекучем состоянии протекает легче, без трения, через малое отверстие, чем гелий в состоянии нормальном, то получается как бы своеобразная фильтрация. После перетекания уве личивается концентрация сверхтекучего гелия, а это соответствует такой концентрации его, которая предполагает более низкую темпе ратуру.

Между теорией, развитой Л. Ландау, и экспериментом в основных вопросах существует не только качественное, но и количественное со впадение. Но существуют ещё и явления, которые не охватываются тео рией. Выяснение их — дело будущего. Теория указывает на некоторые явления, — как наличие сосуществования двух скоростей звука, — которые ещё не удавалось наблюдать в жидком гелии. Теория не учитывает ещё критических скоростей, которые в действительности наблюдаются. Но мне кажется, что в основных своих пунктах теория очень близко подо шла к существу объяснения этого изумительного явления и представ ляет исключительно ценный вклад " в изучение этого явления. Работа над дальнейшим разъяснением этих явлений представляет большой интерес.

О CBEPXTEKV4ECTH ЖИДКОГО ГЕЛИЯ-П 14, Теперь, когда мы опять в Москве благодаря замечательным успехам нашей Красной Армии и героизму её бойцов, мы можем продолжить нашу научную работу над жидким гелием, прерванную два с полови ной года назад нашествием немецких варваров.

ЛИТЕРАТУРА 1. П. Л. К а п и ц а, Проблема жидкого гелия, доклад, сделанный нп обоим собрании Академии наук СССР 23 декабря 1940 г., Вестник Акал, наук СССР, № 2—3, 1941.

2. W. Н. К е е s о m a. m i s s К е е s о m, Physica, 3, 359, 1936.

З.-П. Л. К а п и ц а, ДАН СССР, 18,88, 1937;

ЖЭТФ, 11, вып. 1, 1941.

4. L. W. T i s z a, Nature, 141, 913, 1938;

С. R., 207, 1035, 1938.

5. L. D. L a n d a u, Journ. Physcs USSR, 5, 71, 1941.

1944 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVI. вып. О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН г) • Л. И. Мандельштам., и N. Д. Папалекси Возможно более точное определение с 0 —- «скорости света в вакууме» — является весьма важной задачей измерительной физики. Среди так назы ваемых постоянных природы величина с0 занимает существенное место.

С одной стороны, с 0 — основная постоянная всей теории этектромагне чизма. С другой же стороны, с0 является скоростью распространения света и вообще электромагнитных возмущений в вакууме, т. е. Гско ростью распространения света» собственном смысла слова. Наконец, в точное опытное определение ряда других фундаментальных физических величин связано со знанием точного значения с0. ' Может быть стоит указать на то, что" так называемые универсальные постоянные определены в настоящее время с весьма различными степенями точности1. Так, точность определения элементарного заряда е= (4,8025+ + 1 · 10~ 3 · 10~ 1 0 CGS оценивается около 2· }0~4. Приблизительно с той же точностью известна и постоянная h Планка: hje= (1,37934-2,3· 1~4)1~ CGS. Постоянная Ридберга Rx= 109 737,30 3 + 0,017 см~^ опреде лена с большей точностью, а именно, до 2-10" 7. Заметим уже здесь, что скорость света с0 определена в настоящее время с точностью до 1,3 · 10-5 : с 0 = 299 776+4/си/сел-.

Для определения с0 применялось, как •известно, большое количество разнообразных методов: астрономических 23 (как методы определения с 0, имеющих в настоящее время только историческое значение) и земных, как прямых, так и косвенных. Косвенный метод определения с0 из сравне ния электромагнитных^ и 'электростатических единиц дал в опытах Роза Дорсей 8 значение с0 = 299 790 + 30 км\сек. Метод стоячих волн в си 9 =±= стеме Лехера (опыты Мерсье ) дал с 0 299 790 + 20 км\сек. В настоящее время наиболее точное значение для с0 получено из непосредственного определения скорости света при помощи методов, являющихся по суще ству модернизованными методами Физо.и Фуко (вращающееся зеркало, зубчатое колесо, ячейка Керра).

В табл. 1 сведены результаты последних наиболее точных определений.

Со времени опытов Герца и особенно с развитием радио всё большее и большее значение приобретают вопросы, связанные с распространением электромагнитных волн в узком смысле слова, и специально вопрос о ско рости их распространения. Здесь опять возможны двоякого рода за !) Доклад, 'сделанный 16/Н 1Р43 г. 'га заседании Совета по радиофизиье и радиотехнике в г. Казани.

о KOI'OCTIf РАСИРОСТРЛНЕННН РАДИОВОЛН дачи. Можно смотреть на определение скорости распространения этих волн в свободном пространстве, как на - метод для определения фунда ментальной постоянной природы Го. В диапазоне собственно электромаг Таблица Скорость света Результат Метод Год Точность Наблюдатель в км j сек Перротэн 4 1902 Зубчатое колесо.. 299 901 ± 8 4 3-Ю-*....

Майкельсон-Пирсон * 1926 Вращающ. зеркало. 299 796±4,3·- Метод конденсатора О. Миттельштедт 5 1929 Керра 299 778+20 0,7-10-* Пиз и Персон 0.. 1932 Вращающ. зеркало. 299 774±11 0,4-10-* 1Q4fi 0,5-10- Метод Керра.. „ 299 77 &± В. А. Андерсон "· нитных волн для этой цели можно воспользоваться соотношением » = · / (как это, например, делают при определении с0 из стоячих волн в системе Лехера 9 ), причём / — ч и с л о колебаний для частот до 10~ 8 Hz может быть определено весьма точно. В области оптических волн, как известно, у нас нет прямых способов для определения /, и число колебаний здесь опре деляется из зависимости = / · }., Однако, по крайней мере, до сих пор этот путь не дал уточнения значений с0, полученных из прямых оптиче ских опытов. Другая задача, возникающая здесь, в диапазоне собственно электромагнитных волн, состоит в определениях скорости распростране ния в действительных практических условиях. Эта задача приобрела в последнее время большое значение в связи с различными практическими применениями радиоволн: в геофизике (при исследовании ионосферы), в радионавигации и особенно при определении расстояния между двумя пунктами с помощью радиоволн (радиогеодезия).

На первый взгляд могло бы показаться, что для указанных примене ний нет надобности заново определять скорость распространения радио волн, а можно считать её значение равным значению с0', полученному из оптических измерений. Нетрудно, однако, видеть, что это не так, что нельзя a priori отождествлять искомую скорость с «оптической·».

Дело здесь заключается в следующем. При оптических измерениях мы всегда, за исключением некоторых совершенно специальных случаев, имеем дело, ввиду малости световой длины волны, со скоростью света, характерной для данной среды, или, точнее, с той скоростью, с которой свет распространяется беспрепятственно в неограниченной среде с данными постоянными. При этом при переходе из одной среды в другую справедливы формулы Френеля или обобщение их на случай абсорбирующих тел.

Совершенно иначе дело обстоит в случае радиоволн. Вследствие их неизмеримо большей длины волны, условия распространения радиоволн существенно иные. В частности, ввиду того, что обычно расстояния и передатчика и приёмника до земли сравнимы с )., нельзя в этих случаях говорить о беспрепятственном распространении. Необходимо также упо 3 Успехи физич. наук, т. XXVI, выл. 2.

146 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ мянуть о тех ограничениях беспрепятственному распространению, которое вносит наличие' и о но с ф е р ы. Ввиду всего этого при рассмотрении про блемы скорости распространения электромагнитных волн, особенно в ра диотехнике, возникают специфические вопросы, изучение которых имеет несомненно не только научный, но и большой практический интерес. Эти две стороны вопроса: знание того, как протекает процесс распростране ния радиоволн в данных условиях, и основанное на этом зчании практи ческое использование этого процесса, конечно, весьма тесно связаны между собой. Необходимо, однако, заметить, что очень многие практи ческие вопросы радиотехники либо совсем не требуют знания скорости распространения радиоволн, либо для них достаточно знать её величину лишь очень приближённо. Сюда относятся, например, основные для радио связи вопросы интенсивности приёма. Хотя и здесь (например, в явлениях замирания) скорость распространения радиоволн играет большую роль, но для практической их трактовки достаточно лишь приближённо знать величину скорости. Поэтому до последнего времени при теоретическом и экспериментальном рассмотрении проблемы распространения радиоволн в соответствующих практике (хотя и сильно идеализированных) условиях главное внимание было прежде всего обращено на вопросы интенсивности приёма и вопрос о скорости распространения глубже не разбирался.

Однако, как уже было упомянуто выше, в последнее время возник целый ряд применений радиоволн, для которых вопрос о скорости является жизненным вопросом, так как без точного знания количественных соотношений между положенными в основу методов измерений величи нами и скоростью невозможно полностью использовать эти методы на практике. Так, точное знание длины волны, а следовательно, и фазового запаздывания 2тг)/Х, играющих существенную роль в радиоинтерферен ционных методах измерения расстояний, невозможно без точного знания величины, ибо о'феделяется не непосредственно, а из соотношения:

l=v\f.

Целью нашего доклада и является краткое изложение состояния во проса о распространении радиоволн или, вернее, вопроса о распростра нении так называемого «прямого» луча вдоль земной поверхности.

Первые измерения в действительных условиях были произведены по методу сигналов времени в связи с точными определениями долгот и.

Особое место среди этих методов занимает метод «кругового радио эхо», так как здесь отпадают все трудности, связанные с измерением в различных пунктах земного шара времени прохождения радиосигналов.

В самом деле, если tx означает фиксированный, например, на ленте осциллограммы момент времени прихода прямого импульса, а 2 — Момент времени прихода импульса в том же прямом направлении после однократ ного обегания вокруг земного шара, то время обегания импуньса вокруг земли равно 2 — t v Однако, для того чтобы получить отсюда скорость, необходимо знать путь прохождения импульса, а также) учесть то обстоя тельство, что часть пути импульса проходит по ионосфере. Необходимо также иметь в виду, что при обегании вокруг земли мы имеем дело с «замкнутым» 4тутём и что a priori принципиально считать скорость «постоянной» на всём пути нельзя. Это замечание, впрочем, относится О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ко всем методам измерения по замкнутому пути, в частности, и к интер ференционным. В табл. 2 приведены результаты измерений по методу «кругового эхо» 1 2 · 1 3.

Таблица Скорость по методу кругового эхо»

\ вм Место наблюдения t2 — * в сек. в км/сек 0, Науен (Германия).... 14, 20,5 0, Котвик (Голландия)..

16,2 0, Бельвю (США)....

Среднее... 0,1376 289 Приведём также результаты последних измерений, произведённых по методу сигналов времени в 1933—1935 гг. между Парижем и Гоно лулу 1 4 (табл. 3).

Таблица Скорость по сигналам времени Пункт II Дата Пункт I в км 1 се к Сайгон \ Манилла 1933 от 16 м до,18,5 м 286 700± Монте Гранде J Париж Москва \ Токио \ 1935 от 25 м до 31 м 287 400+ Рокки Пойнт ) Полученные этими методами значения, несмотря на относительно небольшую точность, вполне достаточны для внесения поправок на ско рость распространения радиосигналов для астрономической службы вре мени (определение долгот, гравиметрия и т. п.), однако, условия' распро странения радиоволн здесь в значительной мере неопределённы и, во всяком случае, отличны от тех простейших условий распространения, которые имеют место в ряде практических применений и для которых из теории могут быть получены необходимые формулы. Кроме того, сама точность определения по методу импульсов в области средних волн в настоящем его виде недостаточна как для проверки теории, так и для целого ряда практических применений радиоволн, основанных на Исполь зовании полученных из теории формул. Так, для измерения расстояний в 200 км с желательной для гидрографии сравнительно небольшой точ ностью 4l· 200 м необходимо знать величину скорости с точностью не 3* 148 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ меньше 1/2 000. Ещё большие требования к точности определения предъявляет радиогеодезия: здесь дело идёт о точностях порядка одной десятитысячной и меньше. Такие высокие требования в отношений точ ности определения — поскольку они вообще осуществимы — естественно вызывают необходимость применить для решения этой задачи более точ ные методы. Этому условию вполне удовлетворяют интерференционные методы.

В соответствии с вышесказанным ниже мы вкратце рассмотрим сна чала выводы, к которым приводит теория в случае распространения элек тромагнитных волн вдоль земли, и затем радиоинтерфсранционную мето дику и результаты измерений скорости распространения· радиоволн интерференционными методами в действительных условиях.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Первая попытка дать теорию распространения радиоволн вдоль по верхности земли была сделана Ценнеком в 1907 г. 1 5. Он поставил себе вопрос: «может ли вдоль поверхности земли, предполагаемой плоской и однородной, с константами и, распространяться о д н а б е г у щ а я п л о с к а я волна», и нашёл, что уравнениям Максвелла и соответствую щим граничным условиям на поверхности воздух — земля действительно удовлетворяют плоские волны типа так называемых «поверхностных волн».

Вертикальная Ег и горизонтальная Ех компоненты ноля такой волны пропорциональны е/О^+З*), где аи — комплексные величины, зависящие от з и. При =^=0 или с», поверхностная волна.затухает по экспо ненциальному закону как в направлении распространения, так и в вер тикальном направлении.

Далее — и это очень существенно — фазовая скорость этих волн вдоль поверхности земли зависит от констант и почвы и превышает ско рость света в свободном пространстве. Ценнек предположил, но без осно вания, что волны, излучаемые передатчиком, расположенным на поверх ности земли, и будут иметь характер таких поверхностных волн вблизи поверхности земли на большом расстоянии от передатчика.

Концепция поверхностной волны Ценнека, ошибочно подкрепаённая авторитетом Зоммерфельда, была до последнего времени почти общепри нята (to не только в радиотехнических кругах). Её применяли к истолко ванию многих аномальных явлений, наблюдаемых при распространении радиоволн, например, к так называемой «береговой рефракции». Однако, сопоставление теории Ценнека с опытными данными приводит к разно гласию. Так как, с другой стороны, и теоретическая концепция Ценнека совершенно не учитывала связь поля с источником, расположенным на поверхности земли, то нет основания считать, что она отвечает на интере сующий Нас вопрос о характере волн, распространяющихся в этом слу чае. Для того чтобы получить правильную картину электромагнитного поля излучения, в этом случае необходимо было дать строгое решение задачи о по ле вертикального дипойя, расположенного на поверхности раздела воздух — земля. Как известно, строгое решение этой1 задачи было впервые полу чено и продискутировано Зоммерфельдом (в 1909 г.) 1 6. Это решение дано О СКОРОСТИ Р\СПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН им в виде определённого интеграла, который математически довольно естественно представлять в виде суммы трёх слагаемых: Р-\- Qx-\- Q2.

Слагаемое соответствует поверхностной волне Ценнека. Вследствие этого при первой дискуссии этого решения в своей работе 1909 г. Зом мерфельд и видел в нём подтверждение концепции Ценнека. Однако, В. Фок и, а затем Е. Нётер 1 7 показали, что Зоммерфельдом в этой ди скуссии была допущена существенная неточность и что нельзя выделить слагаемое из комплекса волн, даваемых полным решением. Правиль ность критики Фока и Нётера была затем признана самим Зоммерфель дом 1 8, который в 1935 г. сформулировал положение вопроса так: «Таким образом волны типа и Q не могут быть отделены друг от друга. По видимому, не существует условий, при которых образуется повйрхнветная волна типа Р, которая явилась бы главной составной частью волнового комплекса». Если, таким образом, и следует считать, что характер рас пространения радиоволн вдоль земли не соответствует поверхностным волнам Ценнека, то возникает вопрос: каков действительный характер поля, излучаемого антенной, находящейся на поверхности земли, и, в частности, какова скорость распространения излучаемых волн.

Хотя в строгом решении Зоммерфельда я содержится ответ на эти вопросы для вертикального диполя, однако, до самого последнего вре мени, несмотря на бо1ьшое число исследований, посвященных вопросу распространения радиоволн, и дискуссий решения Зоммерфельда, основ ное внимание было обращено не на скорость распространения, а на ве личину, особенно важную для практической радиотехники, а именно — интенсивность поля. В настоящее время для этой величины как функции расстояния, длины волны и постоянных и существует не только ряд расчётных формул, но также таблицы и графики. Вопросы фазовой ско рости и вообще фазовых соотношений до самого последнего времени не подвергались исчерпывающему анализу;

не существовало также никакой ясности в отношении фазовой структуры поля.

Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые с 1934 г.

в ряде научных учреждений нами вместе с большим коллективом со трудников под нашим общим руководством, внесли, как нам кажется, определённость в эти вопросы и привели к установлению количествен ных зависимостей между фазовой скоростью радиоволн, длиной волны и константами почвы, которые могут быть положены в основу расчётов в области радиоинтерференционных измерений. Так как, в частности, полученные результаты имеют существенное значение для определения величины скорости распространения, то мы остановимся вкратце на них.

Дискуссия решения1, данного Зоммерфельдом, приводит к следующему выражению для вертикальной слагающей вектора Герца:

(1)' /() Откуда имеем для вертикальной компоненты:

g];

(2, 150 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ, 2л здесь г—расстояние до диполя, kl= — = -r волновое ЧИСЛО, г» — фа зовая скорость в верхней среде — воздухе;

f(r) — некоторая действи тельная функция от г — фактор ослабления;

— разность в фазе, допол нительная к той, которая имела бы место при свободном распространении в верхней среде. Для / (г) Ван-дер-Полем 1 9 дано следующее простое приближённое выражение, годное для ^ где — есть модуль введённого Зоммерфельдом ' «численного расстояния»

) ' Для вопроса о фазовых соотношениях в поле электромагнитных волн, распространяющихся от диполя, и, в частности, для вопроса о фазовой скорости основное значение имеет величина дополнительной фазы.

Выражение для мгновенной фазы Фм равно • - —. (5) Для дифференциальной ^фазовой скорости * мы по определению имеем * = ~, где dr и at связаны соотношением Отсюда г,* — 5U-. (6) Для средней же скорости w из имеем Детальней разбор строгого решения Зоммерфельда, сделанный П. А. Рязиным 2°. я, при обычно выполняемом на практике предположении О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН П ИВ Л к ( ^ ) Э*^· Р ^ следующему результату: в случае распространения радиоволн непосредственно вдоль поверхности земли дополнительная фаза, которая является функцией от —,, и, обладает следую С щими свойствами.

1. На расстояниях, близких к вертикальному диполю, находящемуся на поверхности раздела, дополнительная фаза н е з а в и с и м о от свойств почв выражается той же величиной что и в случае распространения волн от диполя в свободном простран стве (или, что то же, вдоль абсолютно проводящей земли).

2. Начиная с некоторого близкого к излучателю расстояния, допол нительная фаза есть монотонно возрастающая функция от расстояния, причём с увеличением г она стремится к некоторой предельной величине, зависящей как от констант почвы, так и от. Существенным здесь является то обстоятельство, что не включает в себе члена, линейно растущего с расстоянием. П. А. Рязиным дано приближённое выражение для этого предела, а именно:

1(=-.

/•-•оо \?) Предельное значение лежит между (случай хорошей проводимо сти и длинных волн) и /2 (очень плохая проводимость, очень короткие волны).

Этот, на наш взгляд существенный, результат можно [см. формулы (6) и (9)] выразить и так: на достаточно больших расстояниях от пере датчика фазовая скорость равна скорости с распространения радиоволн в воздухе независимо от свойств почвы. Далее, так как sg:, то для /•^ дополнительная фаза является лишь небольшой поправкой к пол ному фазовому углу. Этот результат имеет весьма существенное значение и с практической точки зрения, так как он позволяет при применениях во многих случаях совсем не принимать во внимание различие в свойствах почвы, которые практически почти всегда трудно точно учесть.

В тех же случаях, когда поправку требуется ввести, для её вычисле ния достаточно приближённого знания значений постоянных почвы ( и е).

Для иллюстрации зависимости и г»* от г, /, и нрже приведён ряд графиков (рис. 1 и 2), вычисленных П. А. Рязиным.

Заметим, что дополнительная фаза при удалении вверх от поверхности земли должна естественно уменьшаться и на некоторой высоте над зем лёй исчезнуть. Как вытекает из расчётов, проведённых П. Рязиным для этого случая, здесь независимо от расстояния до излучателя сущест венно именно удаление над землёй, а не угол элевации (подъёма) над ней. График, на котором нанесены абсолютные значения изменения 152 Л. И. МАИДКЛЫ1ПЛМ И. Д. ПЛНАЛЕКСИ фазы (рис. 3), иллюстрирует эти зависимости. Как видно из этого графика, уже на высоте 3—4 изменение фазы вертикальной компоненты по отношению к полю на поверхности становится практически постоянным и равным дополнительной фазе ·& с обратным знаком.

Рис. 1. Зависимость дополнительной фазы вертикальной компоненты р электрического вектора поля радиоволн от расстояния до излучающего диполя для длины волны = 300 м и проводимости почвы = 5· 107;

' — то же [для предельного случая бесконечной проводимости земли Прежде чем, перейти к рассмотрению полученного ^ами эксперимен тального материала, сделаем ещё следующее замечание. Характерные особенности поля излучения вертикального диполя, расположенного на плоской поверхности раздела воздух — земля, выведены, из прибли жённых формул, полученных из строгого решения. Это, разумеется, един ственно правильное их обоснование. Интересно, однако, то обстои V* Со Рис. 2. Зависимость дифференциальной фазовой скорости * электрического р вектора от расстояния до излучающего диполя в длинах волн с = 5-10\ = 300 ж и ;

= Ю I мы получаем на поверхности раздела в тельство, что в случае достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитное поле, О ГКОРОГТИ Р\(ПРОСТР\НЕНИЯ Р\ДИОЬОЛН аналогичное по своему строению полю задачи Зойшерфельда, если рас считаем поле от вертикального же диполя, но расположенного не на самой поверхности раздела, а на некоторой определённой высоте h над ней, применив при этом для расчёта отражённой волны обычную формулу тангенсов Френеля (конечно, с учётом того, что в рассматриваемом случае h о W Рис. 3. З.тисимость изменения фазы (в градусах) вертикальной ком поненты электрического вектора от РЫСОТЫ над земной поверхностью, выраженной в длинах волн волновое число &„, а, следовательно, и показатель преломления комп лексны). Для вертикальной компоненты вектора Герца получается в этом случае выражение где R а — угол падения и — угол преломления связаны между собой соот ношением sin = k2 sin p.

Так как при сделанных предположениях '{= — — а и ji малы, а именно:

ТО 154 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАНАЛЕКСИ Если положить теперь А = т | и принять во внимание, что при сделан ных предположениях где р есть не что иное, как модуль численного расстояния Зоммерфельда [см. формулу (4)], то тогда имеем Положив имеем. (8*) Таким образом, F(r) = l для р—· О и F(r) = ^- для —»-, т. е. ведёт себя в этих предельных случаях так же, как и фактор ослабления /(/·) [ср. формулу (3)]. Для промежуточных значений F(г) отличается от/(г), но не больше чем на десятки процентов. 4 же касается дополнитель ной фазы, то, как видно из (8*), мы и здесь имеем монотонный ход с увеличением (г), причём и в этом случае стремится к определённому пределу = 2 — —. Таким образом, и здесь характерным является то обстоятельство, что на больших расстояниях от излучателя средняя и дифференциальная скорости распространения не зависят от свойств почвы.

Отметим также, что указанная теоретическая иллюстрация приводит для больших численных расстояний также к правильному значению угла наклона электрического поля.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ А. Методика Для исследования различных вопросов, связанных с распространением радиоволн вдоль поверхности земли, и, в частности, для измерения ско рости распространения нами, как было уже указано, был применён интер ференционный метод. Сущность его вкратце заключается в следующем 2 1 · 2 2.

Пусть волны, излучаемые передатчиком, находящимсяв в пункте I, до стигнув пункта II, отражаются и снова возвращаются в пункт I. Разность О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН фаз в пункте I между излучаемыми и принимаемыми отражёнными колебаниями, являющаяся непосредственным объектом измерений, очевид но, слагается из: 1) разности фаз Ф х на пути от п. I к п. II, 2) разности фаз 2 в аппаратуре п. II при отражении, 3) разности фаз Ф 2 на пути от п. II к п. I и 4) разности фаз Ьг в приёмной аппаратуре и. I. Таким обра зом, полная разность фаз будет равна Как мы только что видели, теория даёт для Ф1 выражение и аналогичное для Ф 2, причём в нашем схематическом случае Ф 2 = Ф 1.

Таким образом, полагая — — 2 —, где и 2 суть константы аппаратуры, которые могут быть измерены (так называемые фазовые девиации аппаратуры), мы приходим к следующей основной формуле.

- ^ - +,, (И) где — небольшой поправочный член, слагающийся из поправочных членов для прямого и обратного путей радиоволн.

Заметим следующее. Рассмотренная схема метода вполне соответ ствует схеме известного интерферометра Майкельсона, применённого им для точного измерения эталонов длины в длинах световых волн. Однако, если в оптике — вследствие малости длин волн — не представляет труда, с одной стороны, осуществить отражение волн в пункте II и, с другой стороны, наблюдать в одном месте (в п. I) интерференционную картину, вызванную наложением прямого и обратного -лучей, т. е. осуществить сравнительно простыми средствами хорошо направленные световые пучки и чётко локализовать световое поле, то в области радиоволн такая за дача представляет очень большие трудности.

Прежде всего «отражение» волн в п. II должно быть заменено «ре лейным» действием — колебание, пришедшее из п. I в п. II приводит в действие местный передатчик, играющий роль отражателя. Необходимо далее, чтобы отражённые волны были «когерентны» с падающими. Это достигается, в основном путём использования явления «захватывания».

Однако, главная трудность заключается в том, чтобы измерить в п. I разность фаз между мощными колебаниями, создаваемыми своим передат чиком, и слабыми колебаниями, пришедшими из п. II. Если оба эти коле бания имеют одну и ту же частоту, то точное разделение их в п. I представляет чрезвычайно трудную — с требуемой точностью, практически невыполнимую — задачу. Мы обошли эту трудность тем, что колебания, пришедшие из п. I, при отражении в п. II трансформируются по частоте в рациональном отношении (обычно в отношении 3:2 или 4:3), причём эта трансформация должна всё время происходить к о г е р е н т н о. Таким образом, на п. I должна быть измерена разность фаз между двумя ко лебаниями с рациональным отношением частот. Одним из способов йзме 156.1. И. МАНДЕЛЬШТАМ И II. Д. 11АПАЛЕКСИ рения является способ фигур Лиссажу, коюрый и был широко использо ван нами 2 3.

Вернёмся теперь к формуле (11), коюрая, как легко показать, спра ведлива и в этом случае, причём есть полное запаздывание (на прямом и обратном пути), измеренное в периодах колебания с частотой,. Из неё видно, что заключает в себе, при больших по сравнению с расстояниях, большое число полных фазовых циклов 0 (при равных частотах =.,, Н = 2тг;

для 1/2 = 3/2', 6 = ). Так как непосредственно измерять фа зовые углы можно лишь в'пределах одного полного цикла изменения фазы то мы напишем полный фазовый угол в виде Здесь есть целое число полных фазовых циклов, а — фактически измеряемый фазовый угол, представляющий собой дробную часть цикла.

Таким образом, формула (11) принимает вид Как видно из этой формулы, её одной недостаточно для определения скорости распространения, так как измерением можно найти лишь ве личину, а не -\~. Для получения необходимой дополнительной за висимости можно поступить двояким образом.

I. Во-первых, можно поступить так, как это делается при измерении эталонов длины с помощью интерферометра Майкельсона, а именно:

наблюдать, как изменяется разность фаз при непрерывном изменении расстояния D между пунктами I — II от ) до JO 2. Тогда мы, очевидно, получим:

где h0—наблюдаемое целое число полных циклов изменения фазы при плавном изменении расстояния на ). Этот метод, которой вполне соот ветствует методу интерферометра Майкельсона, получил название «метода передвижения» или «метода радиолага».

II. Во-вторых, наблюдая при неизменном расстоянии D за измене нием при плавном изменении частоты 1 от до, приём, который впервые.применил Эдпльтон в своём известном методе измерения высоты, мы, очевидно, получим:

,,. = КР + Так как этот метод изменения частоты позволяет, зная скорость, опре делить непосредственно расстояние D между двумя пунктами, то он по лучил название метода р а д и о д а л ь н о м е р а 2 1 · 2 2.

При наших измерениях скорости мы использовали оба эти метода.

О СКОРОСТИ l'\{ Ili'Ol TPAIILHliH PVtHOBO.HI 15/ В случае применения метода радиодальномера расстояние между обо ими пунктами, в которых находились измерительные станции, определя юсь геодезически, с возможно большей точностью, частота была определена, как - = 7 — alk, где wlk и аи фиксировались двумя кварцевыми эталонами, температура которых измерялась или держалась" постоянной с помощью термостата.

Из многочисленных серий наблюдений по среднему 41 вычислялось не о, а, и только потом, когда это с точки зрения досшгнутой точ ности представлялось необходимым, вносилась поправка на (обычно порядка десятка градусов) и вычислялись и *.

В случае применения метода радиолага одна из станций располага лась на судне или автомобиле. Частота оставалась неизменной и изме рялась ЛЧУО при передвижении от пункта Рх до Р.,, расстояние которых до неподвижной станции измерялось геодезически.

Необходимо заметить, что главным источником ошибок при измере ниях на море являлась трудность точного определения или фиксирования обоих пунктов I и II. Даже в тех случаях, когда при измерении по ме тоду радиодальномера одна или обе станции расположены на судах, стоя щих на якорях, возможны небольшие ишенения точного положения пунк тов, вызванные сносом или поворотом судна вследствие изменения силы или направления ветра, течения, прилива или отлива. Особенно большое Значение имеет при этом снос во время самого измерения, так как он вызывает изменение фазы из-за изменения D, тогда как наблюдаемое изменение предписывается изменению вследствие изменения частоты при неизменном D. Легко видеть из (13) и (14), что, таким образом, ошибка в определении D увеличивается в г раз. Так, например, если — судно переместилось за время перехода от только на 3 м, то эю приводит при — = 4 0 к ошибке, соответствующей изменению D на -+ 120 м.

В наших опытах на эти источники ошибок было обращено большое внимание и их вредное влияние по возможности устранялось как бо iee тщательным определением положения судна, так и ускорением и увели чением числа измерений с переходом от ^ к оа и обратно.

Б. Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е результаты Прежде чем перейти к изложению результатов измерений, заметим следующее. При теоретическом выводе формул для фазовых соотношений в поле излучения диполя, находящегося вблизи поверхности земли, мы исходили из далеко идущей идеализации действительных условий, в ко юрых происходит распространение радиоволн. В действительности по верхность земли не является плоскостью, разделяющей два однородных не изменяющихся во времени пространства. Электрические свойства земли (з и ) не только не постоянны в пространстве, но могут изменяться и во времени (например, в зависимости от метеорологических условий).

С другой стороны, атмосфера, окружающая землю, неоднородна, и её 158 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ электрические свойства, особенно верхних ионизированных слоев, подвер жены изменениям во времени. Поэтому в действительных условиях воз можно изменение как длины пути радиоволн Д так и их средней ско рости.

Оценка влияния этих разнородных иричиЧ показывает, что можно в большом числе практически важных случаев считать эти изменения малыми, всё же опытная проверка возможных изменений в этих случаях представлялась совершенно необходимой. Следует заметить, что могут быть также осуществлены и такие условия, когда эти изменения (осо бенно вызванные влиянием ионосферы ночью) велики. Это и было нами использовано, например, при наблюдениях во время полного солнечного затмения 19 июня 1936 г.

В связи с этим перед нами с самого начала возник вопрос о том, насколько формула (10) применима в действительных условиях и, прежде всего, действительно ли постоянна правая часть формулы (10).

Суждение о постоянстве может быть получено на основании измерений фазовых углов, проведённых в большом количестве и в различные вре мена при определении скорости как методом изменения частоты, так и методом перемещения. Таким образом, определение постоянства — по лучаемся как побочный продукт при определении. Более точное опре деление степени постоянства — может быть получено и непосредственно, а именно, путём непрерывного наблюдения изменения фазовой картины (разности фаз) на одном из пунктов при контроле постоянства частоты и фазовых девиаций аппаратуры в обоих пунктах. Этот метод позволяет D производить исследование постоянства — не только при наличии одного единственного пути распространения, но также и в более сложных слу чаях. Кроме того, он значительно чувствительнее косвенных методов, так как при нём не требуется измерения фазовых девиаций, а только кон троль их постоянства, что может быть произведено с большой точностью (см. «).

Однако, при той аппаратуре, которая была в нашем распоряжении, D практически удавалось следить за постоянством — в течение лишь срав нитечьно непродолжительных промежутков времени (несколько часов).

1. И з у ч е н и е п о с т о я н с т в а с к о р о с т и р а с п р о с т р а н е н и я р а д и о в о л н в д о л ь з е м н о й п о в е р х н о с т и. Начнём с изложе ния тех выводов, которые можно сделать относительно постоян ства — из экспериментальных данных, полученных при определении скорости. Хотя, ' как было сказано выше, прямые непосредст венные методы дают более точные результаты, мы всё-таки коротко остановимся на этих выводах прежде всего потому, что при этом охва тываются весьма разнообразные условия распространения, а также и по тому, что при этом выявляются те особенности, с которыми приходится иметь дело при измерении самой скорости. Кроме того, этот материал О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН позволяет составить себе суждение о постоянстве — в течение значи тельных промежутков времени.

Первый значительный экспериментальный материал для суждения о степени постоянства скорости при распространении на значительных расстояниях в действительных условиях был получен во время экспеди 22 ционных работ ·, проведённых в 1934 г. лабораторией выокочастотной физики ЦРЛ совместно с ЦНИГАИК в районе Пятигорья (Сев. Кавказ) на пяти различных дистанциях:

Машук-Джуца = 10 424 м Машук-подножье Джуцы.. =:11 416 м Машук-Кабан D = 27 894 м Пост-Кабан /5 = 24 995 м Пост-ущелье за Кабаном ·. ) = 26 620 м на волнах = 230 м, 2 = 345 м.

Если представить в виде графика результаты этих измерений, которых было произведено около 1 000, то получаются картины, подобные рис.

4 и 5. На этих рисунках представлены результаты измерения разностей Ум / 20/ гг/ гз/х г4/х. is34r. п/х гол гг/х гз/х гь/х №*г.

Дисгтюнция Мошун~Набан Дистанция Мсниун—Набан Рис. 4 • Рис. фаз, произведенных для одной и той же дистанции в различные дни, причём для наглядности здесь на оси ординат отложены не полные фазовые углы 4 и, а только непосредственно измеренные дробные части фазовых циклов фд, и фа [см. (12)]. Как видно из этих рисунков, несмотря на значительный разброс наблюдённых значений и, все они отличаются от среднего не больше чем на = + 25. Аналогичные результаты получились и на других дистанциях.

Отсюда можно сделать следующее важное заключение. Так как со вершенно невероятно, чтобы и lVk менялись всегда скачком на целое число фазовых циклов, то ясно, что от наблюдения к наблюдению и менялись лишь на,. е. на часть одного фазового цикла. Это заклю чение подкреплялось и тем, что за всё время измерений ни разу не на блюдалось самопроизвольных, не вызванных перестройками ипи изменением состояния аппаратуры, изменений фазы (фигур Лиссажу), из которых можно было бы заключить о возможности постепенного или скачкообраз ного изменения фазового угла на целое число циклов. Этот результат позволяет получить оценку постоянства, так как из наблюдений по лучилось для — == 0,4· 10~ 5 сек., то, зная fa = 1 304^886 Hz, находим, что и ф- =ьЗ-10~ 4, т. е. что — постоянно с точностью 3·10~ 4 _ 160 Л, II. МАНДЬЛЬШТЧМ И Н. Д. ПАПАЛ1-К.И При наблюдении в Питигорьи наибольшая дистанция была тоаько около 28 км. Нужно отметить, что так как при этом применялись верти кальные антенны Т-образного типа, то, естественно, влияние отражённых от ионосфера лучей здесь было незначительным. Представлялось поэтом} важным провести исследования постоянства разности фаз в пунктах, на ходящихся на более значительном расстоянии (100 км и более) друг друга, для того, чтобы выяснить пределы применимости интерференцион ных методов для практической задачи измерения расстояний и степень влияния на них ионосферных лучей. Кроме того, уже первые измерения, проведённые на сравнительно небо'1ьших расстояниях, показали, что их точность значительно ниже той, которую принципиально может дать интерференционный метод. При этом одновременно выяснилось, что одной и, повидимому, наиболее существенной из причин, ограничивающих точ ность измерений, является недостаточная прецизионность измерительной аппаратуры. Поэтому для выяснения важного вопроса о постоянстве са мого процесса распространения и вопроса о том, в какЪй мере степень постоянства может ограничивать точность радиоинтерференционных изме рений, было целесообразно пойти дальше не по пути повторных измере ний, а по второму пути, указанному выше. Для этой цели необходимо было поставить опыт таким образом, чтобы при гарантии возможно боль шей неизменности аппаратуры и постоянства частоты можно было непо средственно наблюдать за изменениями разности фаз, обусловленных изменением условий распространения радиоволн. Результаты таких опы 2 1 2 2 · 2 6, проведённых нами в 1936 и 1937 гг., представлены на табл. 4.

Таблица Наблюдение постоянства Рас Длина Тип Местность Дата Метод. волн стояние Наблюдатели анген вм в км ны УШ/Л Радио- Пячигорье 3-10—' Щёголев, Боруш Осень 230— дально 1934 г. ко 22,23;

Виллер мер Черноморское Радио- 440—660 190 Альперт ^®, Мигу 6.10—»

Июль побережье 1936 г. интер- лин, С. Ман Озерейка—Лоо феро- дельштам» Рязин Альперт 3 6, Вил 4-Ю-'· 120— То же Июль То же Только иногда 1936 г. лер от 6—9 час.

утра 42 Щёголев, Вил Озерейка—Фаль- Июнь 236- То же 2-10—• шивый Геленджик 1936 г. лер, Альперт, Щёголев 2 3 » 2 Белое море 300- Сентябрь То же 5.1»—· Рай—Наволок 1937 г. Бору ш ко, I Плоские Луды 7/Шг Из этих наблюдений* можно сделать заключение, что в диапазоне волн постоянство— сохраняется при распространении н а д мор ской п о в е р х н о с т ь ю на расстоянии до 150 — 200 км с относитель О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ной точностью, не меньшей 10~. Отсюда следует также, что при соот ветствующих антеннах можно пренебречь в этих условиях влиянием «не бесных лучей».

Как показали измерения с радиодальномерами над сушей в районе Пугачёва на расстоянии около 100 км на волнах = 3 0 0 — 4 5 0 м не наблюдается влияния небесных лучей ничью даже в предрассветные часы (ноябрь 1939 г. ) 2 7.

Таким образом, можно считать установленным, что постоянство опти ческой длины пути радиоволн при распространении вдоль поверхности земли на расстояниях порядка 100 км и даже больше настолько велико, что с этой стороны нет препятствий для использования радиоинтерфе ренционных методов для точного определения скорости радиоволн.

Что же касается ещё больших расстояний, то в настоящее время ещё нет достаточно большого экспериментального материала, особенно с описанными выше чувствительными интерференционными методами.

Исследования постоянства — на больших расстояниях были опубли кованы в 1934 г. Деко и Галлем 28. Опыты производились на волне = 349 м между Парижем и Страсбургом (расстояние около 350 км) и на волнах около 24 и 33 м между Понтуаз, возле Парижа, и Алжиром (расстояние около 1 500 км). Метод, которым они пользовались, заклю чался в следующем: из пункта I (Понтуаз, возле Парижа) посылались мо дулированные звуковой частотой N (1000-перЯодным током от камертон ного генератора) волны частоты Д ( = 24,15 м), которые принимались пунктом II (Алжир или Страсбург), и после детектирования модулировали излучаемые передатчиком пункта II волны с несколько отличной частотой / 2 ( 2 = 24,65 м). Эти волны принимались в пункте I, и полученный после детектирования 1000-периодный ток сравнивался по фазе с исход ным модулирующим током, причём измерения фазы также производились по фигурам Лиссажу. Легко видеть, что метод Деко и Галля значительно (в отношении -L· —, т. е. примерно в 1 000 раз, так как и -^ ) менее чувствителен, чем применённый нами интерференционный метод, ибо мы имеем дело в опыте Деко и Галля с изменениями в основном не величины »,,,D л 4 / - -, как при радиодальномере, а величины 4/—, где и есть г р у п повая скорость.

Наблюдения Деко и Галля показали саедующее: на к о р о т к и х в о л н а х днём фазовая картина вообще оставалась стабильной, только • т времени до времени наблюдалось лёгкое покачивание фигуры Лиссажу о с периодом порядка нескольких минут, причём максимальное изменение фазового угла, наблюдаемое днём, было порядка 90°, что соответствует 8 — ;

= 2,5·10~*. сек. Ночью, наоборот, фигура Лиссажу непрерывно де формировалась и притом иногда столь быстро, что нельзя было следить за её изменениями. Отсюда следует, что групповое время — изменялось не менее чем на Ю°/о· •4 Успехи фнзич. наук, т. XXVI, вып. 2.

362 Л. И..МАНДЕЛЬШТАМ И II. Д. ПАПАЛЕКСИ Н а д л и н н ы х в о л н а х (^=349 м) на более короткой дистанции (Париж.—Страсбург, 350 км) днём фазовая картина была более стабильной.


Ночью же наблюдались качественно те же явления, что и при коротких волнах, но они были выражены значительно слабее.

Необходимо заметить, что относительно малая стабильность фазовой картины в опытах Деко — Галга, несмотря на значительно меньшую чув ствительность их метода, объясняется существенной ролью, которую несомненно играли при их наблюдениях небесные лучи. В частности, это имело место при опытах между Парижем и Страсбургом, вследствие ослабления прямого луча из-за большого расстояния по суше.

2. И з м е р е н и е с к о р о с т и р а с п р о с т р а н е н и я р а д и о в о л н.

Переходим теперь к изложению результатов наших измерений скоро сти рсСлространения. Как уже было указано выше, нашей задачей было не только определение средней скорости, но и проверка того, в какой степени применимы в действительных условиях формулы, полу ченные из решения проблемы Зоммерфельда для сильно идеализиро ванного случая. Поэтому весьма существенно было выбрать для измерений соответствующие условия местности, причём важным до полнительным условием являлась возможность точного геодезического определения D1). Первые измерения производились, как уже указано выше, между пунктами, расположенными на вершинах гор, изолированно поднимающихся на достаточную высоту над равниной (район Пятигорья).

Дальнейшие измерения производились над поверхностью водных про странств (море и озеро) и над сушей.

В табл. 5 сведены вместе результаты основных измерений.

Как видно в табл. 5, несмотря на сравнительно небольшую точность большинства из этих измерений, полученные для значения сравнительно близко совпадают с величиной с скорости света в воздухе с учётом поправки на влажность* ( с = 2 9 9 6 7 0 км\сек), как этого и следовало ожидать на основании теории.

Из всех этих измерений можно вывести для скорости радиоволн над морем среднее значение — 299 бвО км\сек.

Это формально полученное среднее несколько отличается от величины скорости света в воздухе (с поправкой на влажность·), полученной Майкельсоном (с= 2,99 670-1О™ cMJieic). В настоящее время ещё трудно с полной уверенностью сказать, можно ли придавать этому различию дейст вительно реальное значение. Однако, необходимо заметить следующее.

При вычислении во всех приведённых в табл. 5 случаях допол нительная фаза не учитывалась, т. е. вычислялось из = „ ИИ И Л З = *) Следует отметить большую помощь, которая была оказана нашим рабг там в этом отношении Центральным научно-исследовательским институтом геодезии, аэросъёмки и картографии в лице профессора О. Г. Дитц и инжене ра А. И. Грузинова и Гидрографическим управлением Северного морского пути.

Таблица Скорость радиоволн Результат )вм D вм Метод Местность Дата Наблюдатели в км 1 сек, 27 Радиодальномер 298 300+1200 230- Пятигорье, Осень Борушко, Виллер, о Щетолев 2123г Машук — Кабан 1934 г. г о Одесса, Май » 299503jfc 800 240-360 9 0.0—28000 О море Тс же 1935 г. О — "О Одесса, Май 299 900;

+;

500 240- Радиолаг 14 695:+;

22 Папалекси, Борушко, море 1935 г. Виллер, Ш,егелев21-зз о Г) 299 400;

+;

1500 37 Ильмень, Радиодальномер 240-360 Те же Осень В пресная вода 1935 г.

» 299 700;

+;

600 п Карские ворота, 240—360 Лето Борушко, Мигулин " море 1936 г.

о Белое море Сентябрь со » 299 600± 100 Борушко, Щёголев - 113 30—45) о 1937 г.

298 650± 170 1 263, Пугачёв, Радиолаг 130- Ноябрь Альперт, Мигулин ^ 1939 г.

299500;

+;

Радиодальномер ровная степь 240-360 101579, Ноябрь Грузинов, Ми ид лин, Боруш^о 2 l Пугачёв, 1939 г.

» 299500;

+;

18) 300—450 145 км ровная степь Осень Мещеряков, Преоб Карское море 1940 г. раженский СП о;

164 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ Между тем, и это очень существенно, дополнительная фаза в формуле (10) в с е г д а положительна. Этим, повндимому, и может быть объяснено то обстоятельство, что среднее значение получилось несколько мень ше, чем значение с по Майкельсону. Действительно, порядок величины поправки, как в этом легко убедиться, вполне соответствует этому предположению. Пусть, например, = 1 1 4 км, = 300 м, = 80 и 3 = 1 0 1 °, ч т 0, примерно, соответствует случаю измерений в Белом море 4—9 сентября 1937 г. между о. Рай-Наволок и о. Плоские Луды.

Тогда, пользуясь формулами, выведенными Н. А. Рязиным 2 0 2 1, по лучаем = 4°,1. Так как 2= 13 700° и = [см, форму -— Л У (7)] то поправка = -— s= 90 км и, следовательно, почти в точности равняется значению с, полученному в воздухе, с учётом по правки на влажность. Конечно, такое близкое совпадение надо, принимая во внимание недостаточную точность измерений (около 1/2 000), считать случайным. Всё же, может быть, не лишено интереса то обстоятельство, что, введя поправку на допоанительную фазу, мы не только полу чаем исправление величины скорости в нужном направлении, но и приходим к численному значению с, близко совпадающему с послед ними, наиболее точными, значениями, полученными Майкельсоном и дру гими исследователями.

Весьма поучительным является в этом отношении также результат, полученный при измерении скорости распространения вдоль ровной по верхности суши в окрестности гор. Пугачёва в ноябре 1939 г. 2 Полученное методом перемещения значение = 7 001 ° при изме нении расстояния на АД, = 1 263,5 м от Dx = 1 350,5 м до D2 = 2 614 м даёт v== -]5jf— = (298 650 ± 170) км/сек.

При этом / = 2 2 9 8 360 + 20 Hz. Если ввести теперь поправку на до полнительную фазу ApD, то, принимая = 3·10 6, = 4 (сухая почва), получаем Лр д = 24°, откуда получаем: = 299 700 км/сек.

Необходимо заметить, что полравка ApD, а следовательно, и правиль ный учёт констант а и р играет особенно большую роль при сравни тельно небольших, т. е. при небольших / Так, при а = 2-106 и г от 3 до 5 получается уже несколько отличным, а именно, ^-20°, так что -»=2Э9 500 км\сек. При и, соответствующим не сухой почве, получились бы большие значения, а следовательно, и v^c При больших расстояниях значение поправки, а следовательно, и влияние констант почвы становится меньшим. В этом отношении пока зательны результаты, полученные в той же местности вблизи Пугачёва в то же время на расстояниях порядка 100 км. Здесь получилось = 299 500 км\сек.

О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН Таким образом, не только при распространении над морем, но и при распространении над достаточно ровной поверхностью суши (ровные степные пространства, луга и т. п.) мы получаем для скорости электро магнитных волн значение, близкое к с. При этом подтверждается пра вильность формуш (10), а также и то, что скорость в ней есть дей ствительно скорость света в воздухе. Следует, однако, заметить, что в настоящее время нет ещё достаточных данных ни экспериментальных, ни теоретических относительно влияния неоднородностей почвы, неровно стей поверхности земли и т. д. на результаты измерений скорости распространения радиоволн. Поэтому ещё нельзя сказать окончательно, насколько приведённые выше результаты, полученные при определённых условиях, показательны для измерений на суше вообще. Однако, нам кажется, всё же можно считать доказанным, что и при измерениях над сушей на волнах средневолнового диапазона с антеннами зонтичного или Т-образного типа можно пренебречь на расстояниях в несколько десятков (и даже сотен) километров влиянием ионосферных лучей.

Полученные нами результаты позволяют, как нам кажется, сделать следующие выводы.

1. При распространении радиоволн средневолнового диапазона вдоль поверхности земли на расстояниях до сотни километров постоянство оптической длины пути, при применении антенн соответственного типа, порядка 10~ 5. Отсюда следует, что в этих условиях можно не учиты вать действия ионосферных лучей.

2. Полная разность фаз между двумя отстоящими на расстояние D пунктами вблизи поверхности земли в электромагнитном поле гармо нического излучателя (вертикального диполя), расположенного на поверх ности земли, может быть представлена в виде ? ?(/. Д ». в)- (15) где равна скорости света в воздухе, а дополнительная фаза (/, D.

а, е) с увеличением D в зависимости от /, и стремится к пределу, лежащему между /2 и.

3. При распространении над морем вплоть до расстояний порядка 200 км численное значение скорости получается с точностью, не меньшей 5·10~ 4, равной скорости света в воздухе*).

4. При распространении вдоль суши существуют условия (например, ровные степные пространства, луга), в которых с точностью, не меньшей 6·10~ 4, применима формула (10).

В заключение коснёмся вкратце измерений скорости распространения радиоволн вдоль земной поверхности, проведённых в последние годы (начиная с 1936 г.) в Америке и в Англии другими методами. Поводом к этим измерениям явились данные о скорости », опубликованные Кол веллом, Хеллом и Хиллом в конце 1936 г. 2 9, согласно которым величина *) При трёх длинах волн, которые нами применялись, и при указанных расстояниях влияние кривизны земой поверхности в пределах этой точности ещё не сказывается на определении.

!66 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ скорости отличалась от скорости света на треть и более. Метод, ко торым пользовались эта исследователи, основывался на измерении (с помощью развёртки на экране катодного осциллографа) интервала вре мени между моментом посылки импульса, длительностью порядка 10~* сек. из одного пункта А, и моментом прихода такого же импульса из другого пункта В, посылаемого оттуда в момент прихода туда импульса из А. Регулировка момента посылки импульса пунктом В производилась с помощью регулятора фазы, установленного в цепи переменного тока, общей для обоих пунктов. Частоты колебаний, излучаемых обоими пун ктами, были соответственно /j = 2398 kHz (kt 3s 60 м) и / 2 = 1 6 1 kHz ( Х З Е 1 4 5 ). И З наблюдений Колвеала, Хелла и Хилла вытекало, что значительно меньше с, составляя в среднем около 2/3 с, иногда снижаясь до половины (54°/0), причём ими наблюдались значительные колебания значений от дня ко дню и даже -r опыга к опыту. Эти резуль таты вызвали, естественно, большое недоверие к их правильности, особенно принимая во внимание, что ввиду небольшого расстояния (около 20 км) между пунктами А и В какое-либо заметное влияние ионосферных лучей надо было считать здесь исключённым. Было весьма вероятно, что, как нами и было высказано в примечании к нашей первой статье * 2, уже находившейся в печати, когда появилась статья Колвелла, Хелла и Хнлла, дело заключалось в недостаточной оценке и неправильном учёте автора ми времён релаксации аппаратуры, точное значение которых в их методе должно было играть решающую роль, так как они были того же по рядка, что и измеряемые времена.


Статья Колвелла, Хелла и Хилла вызвала ряд новых эксперименталь ных исследований для определения величины при свободном распро странении вдоль земли, которые показали неправильность результатов этих авторов. Так, уже в апреле 1937 г. Росс и Слоу 3 0, измеряя с по мощью катодного осциллографа разность фаз колебаний, наводимых в двух вертикальных антеннах, расположенных вдоль направления радио волн на расстоянии 34,9 м друг от друга, получили для фазовой ско рости на различных частотах от 2,5 до 15 MHz в среднем величину, равную 295 000 км\сек с точностью, оценённой авторами в 5°/0, при крайних значениях 310 000 и 275 000 км)сек.

Для того чтобы внести полную ясность в этот вопрос, Фармер и 81 е Моганти в 1939 г. повторили на частотах порядка 1,8-10 Hz опыты Колвелла, Хелла и Хилла, приняв всевозможные меры для устранения источников ошибок. Главные из таких ошибок были: а) ошибка шкалы времён осциллографа, б) различие во времени прохождения сигналов р а з н о й интенсивности через приёмные устройства, в) погрешность ог неопределённости точки отсчёта на огибающей импульса, наблюдаемой на экране осциллографа, г) неустойчивость режима электросети вслед ствие изменения нагрузки.

Опыты дали для величину, равную 0,95 с, с вероятной ошибкой в 5—7°/о и таким образом установили ошибочность измерений Колвелла с сотрудниками.

Наконец, ошибочность полученных в 1936 г. Колвеллом результатоз вытекает из работы, опубликованной в 1942 г. Колвеллом32, который произ О СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 1Ь вёл вместе с сотрудниками—Вудоч, Бейли и Маршем — большую серию измерений на волнах с частотами / 1 = 3 492,5 kHz и / 2 = 2 3 9 kHz По несколько видоизменённому методу импульсов. При этих изме рениях, для исключения времени релаксации в аппаратуре, сначала про изводились наблюдения, когда пункт В находился на расстоянии 0,79 км от пункта А, а затем тогда, когда пункт перемещался на расстояние 3,67 км от Л и скорость определялась из разности полученных в обоих случаях времён запаздывания импульса. Как среднее из 180 измерений получено 298 500 км'сек.

Таким образом, и все эти измерения показывают, что нет оснований считать скорость радиоволн при распространгнии вдоль земли отлича ющейся от скорости света в воздухе с больше чем на 3 — 5°,· Как указано было выше, результаты наших измерений, произведён ных с гораздо большей точностью (как это, впрочем, отмечается в ра боте Моганти и Фармера 3 1 и в обзоре Смит-Розе 6, сделанном им октября 1942 г. на годовом собрании Радиосекции Английского Электро технического Общества), показывают, что скорость не может отли чаться от скорости света с больше чем на 5·10~*.

ЛИТЕРАТУРА 1. R a y m o n d Т. B i r g e, Rev. Mod. Phys., 13, Oct., 1941.

2. S. G l a s e n a p p, Unteisuchungen der Verfinsterung del Jupiter Satelliten;

Petersburg, 1874.

3. H. S p e n c e r J o n e s, Monthly Notices Astr. Soc, 87, 28, 1927.

4 G. Wolf s o h n, Handb. d. Phys., 19, 906, 1928;

R. L a d e n s b u r g, Handb.

d. Experimentalphys., 18, 27, 1928.

5. O t t o M i t t e l s t a e d t, Ann. d. Phys., 2, 285—312, 1929.

6 R. L. S m i t h - R o s e, Nature, 477, 24 October, 1942;

Electrician, 415, 16 October, 1942.

7. W i l m e r C. A n d e r s o n, Phys. Rev., 51, 596, 1937.

8 R o s a - D o r s e y, Bui. Bureau of Stand., 3, 433, 1907.

9. N. M e r c i e r, С R., 173, 768, 1921.

10. G u t t o n, Journ. de Physique, 2, 186, 1912.

11. С. С S m i t h, Proc. of the Fifth Pacific Science Congress Victoria and Van couver В. С Canada, 1933.

12. E. Q u a c k, P.I.R.E., 15, №12,1927.

13. T a y l o r J o u n g, P.l.R.E, 16, 561, 1928.

14. N. S t о у k о e t P. J о u a u s t, C. R., 196, 1292, 1933;

200, 2149, 1935;

201, 33, 1935".

15. J. en n e c k, Ann. d. Phys., 23, 846, 1907.

16. A. S o m m e r f e l d, Ann. d. Phys., 28, 665, 1909.

17. Ф. Ф р а н к и Р. М и з е с, Дифференциальные и интегральные уравнения математической физики, ГОНТИ, стр. 937, 1937.

18. P. F r a n k u. R. Mises, Differ, и. Integralrechnungen d. Mechanik u. Phy sik, 1, 932, 1935.

19. V a n d e r P o l, Zs. f. Hochfr., 37, 152, 1931.

20. П. А. Р я з и н, Изв. АН СССР, сер. физ. IV, 484, 1940.

21. Новейшие исследования распространения радиоволн вблизи земной повер! ности, Сборник статей под ред. Л. И. М а н д е л ь ш т а м а и Н. Д. Па па л е к с и, Гостехиздат;

Л. И. М а н д е л ь щ т ам, Изв. АН СССР, сер. физ., № 4, 525, 1938.

168 Л. И. МАНДЕЛЬШТАМ И Н. Д. ПАПАЛЕКСИ 22. Л. И. М а н д е л ь ш т а м и Н. Д. П а п а л е к с и, ЖТФ, 7, 559, 1937.

23. Е. Я. Щ е г о л ев, ЖТФ, 7, 579, 1937.

24. Л. И. М а н д е л ь ш т а м и Н. Д. а п а л е к с и, ДАН СССР, 2в, 78?, 1940.

25. Е. V. A p p l e t о a. B a r n e t t, Proc. Roy. Soc, 113, 450, 19 6.

26.. Д. П а п а л е к с и, Изв. АН СССР, сер.'физ. № 4, 539, 1938.

27. Я. А л ь п е р т, В. М и г у л и н и П. Р я з и н, ЖТФ, 11, 29-34, 1941.

28. С. D e c a u x et J. G a l l e, С. R., 198, 2i39, 25 JuJn, 1934.

29. R. C. Col w e l l, N. J. H a l l a. L. R. H i l l, Journ. Frankl. Insi., 559 Nov., 1936.

30. W. R o s s a. E. S l o w, Nature, 139, j / 3520, 671, 1937.

yь 31. F. T. F a r m e r a. M o h a n t y, Proc. Phys. Soc, 52, 456, 1940.

32. R С. С о 1 w el 1,. А. Т. W о о d, J.. В a i 1 е у а. С. О. а г с h, P. i. R.., 30, 139, March, 1942.

1944 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVI, вып. ФИЗИКА ВОЗДУШНЫХ НАЛЁТОВ Дж. Д. Бернал ) Область, рассматриваемая в этой лекции ограничена только одной из сторон воздушных налётов, а и"менно, действиями, производимыми фугасными бомбами. Большое количество физических проблем возникает в связи с другими аспектами воздушных налётов, например, в части возникновения пожаров;

однако, эти вопросы не столь далеки от нашего повседневного опыта, как вопросы, касающиеся эффектов, вызываемых взрывами бомб.

Устрашающее действие фугасных бомб в значительной (степени свя зано с недостаточным знанием процессов, происходящих при разрывах этих бомб. Совершенно естественно, что изучение явлений, протекаю щих со скоростями взрывов, является затруднительным, однако, оно всё же возможно;

благодаря работам физиков многих стран, а в осо бенности английских физиков во время войны (главным образом в лабо ратории Управления научных и промышленных исследований), мы можем сказать, что основные черты физических процессов, связанных со взры вом, вырисовываются уже довольно отчётливо. Конечно, вследствие сложности явления, а также вследствие требований секретности в на стоящей статье мы можем наметить лишь общие контуры результатов этих исследований.

Действие всех взрывчатых веществ основано на освобождении энергии в течение весьма коротких промежутков времени. Выделяемые коли чества энергии велики, но они не превосходят существенно количеств, выделяемых при обычном производстве энергии. Если относить к еди нице массы, то взрывчатые вещества содержат почти не больше энер гии, чем уголь или бензин, но в то время как 10 галлонов бензина могут приводить в движение мотор в продолжение 5 часов, такое же количество взрывчатого вещества (примерно содержащееся в 50-килограм мовой немецкой бомбе) освобождает свою энергию в течение 1/20 000 сек.

В соответствии с этим мощность, выделенная при взрыве, оказывается во много раз больше. Другим следствием краткости интервала выделе ния энергии является то, что много более важными, чем термические, являются механические эффекты разрывов. Взрыв является весьма эф фективным способом преобразования химической энергии в механиче J ) Лекция, прочитанная 3 декабря 1940 г. в Королевском институте Вели кобритании, Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 31, 262, 1941, Перевод А. А. Ильиной.

J70 ДЖ. Д. БЕРИЛЛ скую при весьма малых потерях в виде тепла. К несчастью, в военное время во всяком случае, все механические эффекты имеют разруши тельный характер.

Огромная скорость выделения энергии, заключённой во взрывчатом веществе, означает, что действие, производимое на окружающие тела, будь они твёрдые, жидкие или газообразные, не определяется их обыч ными механическим свойствами. При рассмотрении взрывов простые статические давления почти не имеют значения и существенными ока зываются только динамические свойства материалов. В общем это ска зывается в увеличении сопротивляемости материалов. Большинство ма териалов имеет гораздо большую сопротивляемость по отношению к внезапным нагрузкам по сравнению с обнаруживаемой при постепен ном увеличении напряжений;

но напряжения, возникающие при взрывах, по крайней мере вблизи от места взрыва, оказываются много больше тех, которые могут быть осуществлены в лабораториях, и в сущности, они могут быть изучены лишь в связи со взрывами.

Большую часть действий взрывчатых веществ на окружающую среду можно хорошо объяснить, если считать, что взрывчатые вещества обра зуют волну исключительной интенсивности, распространяющуюся с очень большой скоростью через тела. Обычное механическое возмущение передаётся в веществе со скоростью звука. Эта последняя определяется квадратным корнем из отношения плотности тела к его упругости. Если плотность велика, а упругость мала, — волна распространяется медленно и наоборот. Границами этих скоростей будут 150 м\сек в газообразном четырёххлористом углероде и 5 000 м\сек в стали. Вследствие высоких давлений, развивающихся в месте взрыва, скорости получаются гораздо большие. Это происходит вследствие зависимости упругости тела от давления;

внутренние слои атома более упруги, чем внешние. При сильном сжатии упругость возрастает, и скорость распространения волны увеличивается. Это возрастание скорости более заметно в газах, чем в твёрдых телах или в жидкостях. Так, например, скорость звука в воде может меняться от 1 825 м\сек до 3 650 м\сек вблизи взрыва;

соответ ствующие цифры для скорости звука в воздухе будут вариировать от 330 до 6 000 м\сек.

При этом характер самой волны будет меняться. Волны высокого давления не имеют плавной формы обычных звуковых волн. Действи тельно, давление в волновом фронте возрастает мгяовенно до свое го максимума и затем постепенно падает, проходя через значения, мень шие атмосферного давления, или фазу «всасывания» (suction) (рис. 1).

Образование этой волны с крутым фронтом, или ударной волны, на поминает возникновение береговых волн в море;

фаза высокого давления, всегда передаваемая быстрее, чем фаза низкого давления, образует фронт именно как вершину береговой волны, которая задерживается меньше, чем её основание, испытывающее трение о грунт. Эта вер шина движется вперёд и, опрокидываясь, разрушает волну. Ударная волна всегда разрушается, так как фронтовые её части теряют энер гию быстрее последующих частей, вследствие чего по мере распро ФИЗИКА ВОЗДУШНЫХ НАЛЕТОВ странения волны её фронтовая часть снижается всё больше и больше и вся волна цырождается в обычную звуковую волну.

Ударная волна в воздухе является именно тем, что мы обычно назы ваем взрывом;

ею обусловливается большая часть побочных явлений, связанных с воздуш ным налётом, как, на пример, разрушение окон. Давления, нуж W футов от уаряда ные для того чтобы выдавить оконные стёк ла, не особенно велики.

Давление 60—600 г\ см* (6 атм.) достаточно, чтобы стать опасным 20руто8 от заряда для человека. Это мо жет случиться только в непосредственной бли зости к месту взрыва, так что ha самом деле непосредственное пора жение взрывом людей случается сравнительно 30 фута#ш заряда редко, Ударная волна, | однако, не является.только увеличением да вления;

непосредствен но за фронтом воздух движется вперёд, со 4 0 футоВ от заряда здавая начальный тол чок. Он сопровождается последующим обрат ным толчком. Эти рез кие' колебания воздуха могут перемещать сво бодные предметы, ва- 50 футов от заряда лить людей и т. д.

Большая часть повреж дений при взрывах явля го О ется именно вторичным Миллисекунд, эффектом в этом смыс ле и обычно не так Рис. 1. Кривые давление — время для взрыва за ряда в 2 фунта взрывчатого вещества серьёзна.

По причине относительно малых давлений, с которыми приходится иметь дело в случае взрывных волн в воздухе, именно в этом случае наибольших успехов достигают предохранительные меры, в особенности когда дело идёт о таких лёгких структурах, как окна. Оказалось воз можным определить путём вычисления эффективную прочность материа лов в отношении tix сопротивления взрывным волнам. Это определение 172 ДЖ. Д. БЕРНАЛ не является простым делом, так как поведение упругой структуры в от ношении ударной волны зависит не только от характера последней, но также и от упругих свойств самой структуры. Ударная волна, встречая препятствие, подобное окну, приводит его в колебание, и результирую щий эффект оказывается зависящим от соотношения между собствен ным периодом окна и временными характеристиками волны.

Для любой волны и для любой известной структуры эффективное давление может быть приведено к некоторому статическому давлению, создающему тот же эффект. Это давление известно под названием «эквивалентного статического давления» (рис. 2). То обстоятельство, что действие волны зависит от упругих свойств препятствия, прояв ляется в различном поведении разных окон и дверей, находящихся на одинаковом расстоянии от места взрыва. Одно окно может быть выбито, в то время как соседнее останется целым только по той причине, что оно имеет иной собственный период. Поведение окон в отношении взрывных волн хорошо иллюстрируется прилагаемыми фотографиями (см. вкладку). Когда взрыв происходит далеко от окна, стекло сна чала изгибается в направлении ударной волны, затем двигается в обрат ную сторону и трескается (если оно вообще трескается), так что ос колки вылетают наружу. В случае более близкого взрыва стекло трескается при первом движении, и осколки летят внутрь здания. Ког да взрыв произошёл весьма близко, окно совершает колебания с ча стотой одной из гармоник и растрескивается периферия стекла, при чём средняя часть часто остаётся совершенно целой до тех пор^ пока не разобьётся при ударе о какое-либо препятствие (вкаадка, рис. В).

Можно было бы думать, что окна могли бы быть защищены путём увеличения их прочности. К несчастью, однако, почти все приёмы упрочнения окон одновременно дают увеличение их собственных частот, а следовательно, и эквивалентного статического давления, так что, поскольку оба эффекта обычно почти уравновешивают один другой, по лучается лишь илаюзия увеличения прочности. В действительности почти ничего нельзя сделать для предотвращения растрескивания стёкол, но очень многое можно сделать в отношении предотвращения разлетания осколков.

Кинематографическое изучение процесса разрушения оконных стёкол при взрывах показало высокую полезность таких предохранительных приспособлений, как прозрачные вискозные плёнки и сетки.

Причудливое действие» взрыва на окна зависит не только от боль шого разнообразия в размерах окон. Ударная волна ведёт себя подобно другим волнам: она может отражаться с большим или меньшим погло щением, в зависимости от того, что она поражает. На улицах, особенно с высокими домами, это отражение будет сложным. Взрыв бомбы вызы вает ряд отражённых волн, которые на значительном расстоянии от места взрыва сложатся в периодическое возмущение. Стёкла, собственная ча стота которых совпадает с частотой этого возмущения, будут разрушены вследствие резонанса. Вследствие такого эффекта отдельные окна могут вылетать на большом расстоянии от места взрыва.

ФИЗИКА ВОЗДУШНЫХ НАЛЕТОВ А. Радиальное растрескивание. Взрыв на умеренном расстоянии.

В. Круговое растрескивание. Вблизи от взрыва.

Кадры из кинематограммы лопающегося окна:

С. 0,03 сек. после взрыва. Первое появление трещин.

D. 0,01 сек. спустя. Радиальные трещины полностью развились. Малые осколки вылетают.

Е. 0,08 сек. спустя. Осколки увлекаются по направлению к бомбе физич. наук, т. XXVI. вып. 2.

— — 6, 5.-:•» —а.

—••* ^***—— JJ V г" Ё —-г •Р»

«-• —· и / - •'•• %\ • • - • — —.—. - — % ' "" * — Г' 'V * ' // 4 " Эквивалентное статическое // всасывание f I ---'Эквивалентное статическое · S&' давление ^ 12 _i "—•—/7риблизите/!бноя поправка / | для сложной системы /' k 1 4 8 12 16 20 24 Z8 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 8A 88 92 96 W0104 Частота системы цин•/'e/ 6 секунду Рис. 2.

174 ДЖ. Д. БЕРН АЛ Другой своеобразный эффект связан с тем, что ударная волна в уз кой улице отражается от её верхней открытой части. Хорошо известно, что волна сжатия, распространяющаяся в трубе с открытым концом, до стигая его, вызывает отражённую всасывающую волну. Есчи 4то проис ходит на улице, то отражённая всасывающая волна может оказаться более сильной, чем первичная всасывающая волна самой бомбы. Она может действовать на окна и двери, обрушивая их на улицу.

Ударная волна ведёт себя характерным образом в отношении огра ниченных препятствий. Обычные звуковые волны образуют «тени» только позади больших препятствий, как, например, холмов или высоких домов, так как длины волн имеют значення 3 — 30 м. Ударную волну можно рассматривать как сумму некоторого количества волн различных длин.

Часть, связанная с фронтом волны, имеет очень малую длину волны, а" хвостовая, всасывающая, связана с большей длиной волны. Вследствие этого ударная в,олна, проходящая через отверстие или огибающая пре пятствие, меняется. Грубо говоря, волна давления распространяется прямо и образует тень, в то время как обратная всасывающая часть волны рас пространяется во все стороны, легко огибая углы. Поэтому позади пре пятствий компрессионная часть ударной волны может уменьшаться до 0,1 своей величины, сравниваясь по интенсивности с всасывающей частью её. Это обстоятельство является чрезвычайно благоприятным, так как в резуаьтате исследований было показано, что именно компрес сионная часть ударной волны наиболее вредна для живого организма.

Таким образом, укрывшись за небольшой садовой стеной, можно обезо пасить себя от прямого действия взрыва. С другой стороны, открытая дверь является опасной и, защищая входы в убежища, мы предохраняем себя как от осколков, так и от взрывной волны.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.