энергии, которые в соответствии с полученной информацией сами включат, что нужно, или выключат. В этом втором примере мы встречаемся со специализированной информационной системой; вся работа таких систем только в том и состоит, чтобы собирать, хранить, передавать или перерабатывать информацию.
Изобретатель первых специализированных информационных систем — живая природа. Уже у простейших микроорганизмов есть молекулярные «приборы», собирающие информацию об окружающей среде, и, в зависимости от химических веществ, действующих на эти «приборы», микроорганизмы либо движутся в сторону пищи, либо бегут из вредной для них среды. А еще у всех представителей живого, от одноклеточной водоросли до кашалота, есть специализированные хранилища информации — сложные молекулы нуклеиновых кислот, на которых языком химических соединений записана подробнейшая информация об устройстве данного вида живых организмов. Только благодаря этим подробным чертежам живые организмы точно воспроизводятся при размножении, и из кошки получается кошка, а не дельфин, не стрекоза и не табуретка.
За миллиарды лет биологической эволюции живые организмы усложнялись и совершенствовались, и при этом усложнялись и совершенствовались их информационные системы. На какой-то стадии у представителей животного мира появился особый информационный орган, точнее, целая система органов — нервная система. Сначала довольно простая, из нескольких нервных клеток, а затем все более сложная, способная выполнять много самых разных задач по сбору, хранению и переработке информации.
Наибольшего совершенства достигла эта система у человека. В нашем организме миллиарды клеток-рецепторов (собирателей информации) измеряют освещенность, давление, температуру, химический состав, собирают сведения о том, что происходит внутри организма и за его пределами. Скажем, о том, в какой степени насыщен кислородом воздух, достаточно ли быстро движется кровь в сосудах, холодно ли на улице или насколько много сахара в чае. Вся эта информация по внутренним линиям связи — нервным волокнам — поступает в мозг, там по необходимости к ней добавляются кое-какие сведения из памяти, и все это вместе как-то перерабатывается, превращается в итоге в команды управления. Некоторые из этих команд, например «увеличить глубину дыхания» или «добавить в кровь адреналин», выполняются автоматически, а некоторые, например «добавить в чай ложку сахара» или «надеть теплую куртку», мы выполним сознательно. Одна из информационных систем человека связана с приемом и обработкой акустической, звуковой информации. Слух помогал нашим далеким предкам ориентироваться в сложном и опасном мире, а с появлением речи способствовал объединению людей, становлению общества. Примечательно, что в числе первых достижений радиоэлектроники — помощь нашим природным акустическим линиям связи, увеличение их дальности: диктора, говорящего перед микрофоном в радиостудии, люди слышат за тысячи километров.
Мы начинаем знакомство со звуковыми информационными системами с типичного источника звука — колеблющейся струны.
Т-90. В процессе свободных колебаний струна меняет скорость и направление, движется то туда, то обратно. Физические, химические, биологические и всякие иные процессы могут протекать по-разному. В одних случаях мы видим нарастание какой-либо величины — нарастает скорость падающего камня, температура поставленного на плиту чайника с водой, вес зреющего на поле арбуза… В других же процессах мы наблюдаем уменьшение чего-либо, убывание — убывает вода в дырявом ведре, напряжение пружины часов, скорость автомобиля, у которого на ровной дороге заглох двигатель… А есть еще и такие процессы, в которых происходит непрерывная смена нарастаний и убываний, процессы, которые без всякого вмешательства извне меняют свое направление, сами по себе идут то туда, то обратно. Это так называемые свободные колебания, примером которых могут служить колебания гитарной струны (Р-62).
Р-62
Вы слегка оттянули гитарную струну и передали ей некоторую порцию энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда двигаем по столу книгу, ударяем спичкой по коробке или ногой по футбольному мячу. И всякий раз отданная нами энергия сразу находит своего главного потребителя, расходуется на какое-нибудь полезное дело — на получение тепла, на борьбу с трением или сопротивлением воздуха.
Иначе обстоит дело с оттянутой струной. Здесь мы встречаемся сразу с несколькими потребителями энергии, причем два из них, взаимодействуя друг с другом, как раз и заставляют струну совершать колебательные движения.
Когда мы оттягиваем стальную струну, отводим ее от условной средней линии (Р-62), то затраченную нами на это энергию сразу же захватывает первый из двух потребителей — упругая деформация стали.
Упругая деформация — явление сложное, оно связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью. Когда мы сгибаем, то есть деформируем (меняем форму), стальную пружину или сжимаем, деформируем резиновый мяч, то затрачиваем энергию именно на то, чтобы преодолеть силы внутренней упругости. Но энергия эта не пропадает безвозвратно. Деформированное упругое тело, как только у него появится возможность, вернется в свое первоначальное состояние и почти полностью (обратите внимание на это слово «почти», о нем придется поговорить особо) вернет полученную энергию.
Это хорошо видно на примере часов: когда вы заводите их, то пружина деформируется и запасает определенную энергию, а затем в течение суток почти полностью отдает ее, вращая шестеренки часового механизма. И так же ведет себя оттянутая стальная струна. Она не потребляет, а лишь накапливает энергию и при первой возможности отдает ее.
Отдает, но кому?
Спортсмен, который обычно прыгает в длину на семь-восемь метров, не преодолеет и четырех, если лишить его возможности разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый запас энергии, который в момент прыжка добавляет к силе своих мускулов. Физика очень точно определяет этот запас — это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в нашем примере — бегущий человек. Чем больше масса тела и его скорость, тем больше этот запас, больше кинетическая энергия. Это легко поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции. Шоферы хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем сильнее он нагружен, тем труднее машину остановить, то есть погасить в тормозах ее кинетическую энергию.
Кинетическая энергия у какого-либо тела, конечно, не появляется сама собой. Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха — словом, с помощью любых источников энергии, способных толкать, двигать, вращать, способных «создавать скорость».
Теперь можно сказать, кто же этот второй потребитель энергии, участвующий в колебаниях струны. Это движение. Если, оттянув струну, вы отпустите ее на свободу, то силы упругой деформации постараются сразу же вернуть ее в исходное положение, к условной средней линии. При этом струна начнет двигаться и набирать скорость, а значит, увеличивать запасы кинетической энергии. Но и эти запасы струна не хранит у себя, а постепенно отдает их. И опять тот же вопрос — кому?
В поисках ответа мы сейчас прокрутим — разумеется, условно, мысленно — небольшой учебный кинофильм.
…В зале медленно гаснет свет. Звучит музыкальное вступление, и на экране появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в три ровные линии, мы читаем название фильма: «Свободные колебания струны». И тут же слышим голос диктора: «Замечательная техника современного кино позволяет нам увидеть колебания гитарной струны, замедленные в несколько тысяч раз».
На экране струна, натянутая между двумя массивными стойками. Откуда-то со стороны выплывает рука, указательным пальцем цепляет струну и оттягивает в сторону. На том месте, где только что была струна, остается пунктирная линия, и тут же возле нее появляется надпись: «Линия покоя». Снова голос диктора: «Оттянув струну, мы затратили некоторую энергию».
Палец отпускает струну. Она начинает двигаться, сначала медленно, затем все быстрее. Двигаясь, струна в какой-то момент сливается с пунктирной «линией покоя». Голос поясняет: «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя. Но остановиться здесь она не может: почти вся энергия, которую мы передали струне, оттянув ее, теперь перешла в кинетическую энергию, и, только потеряв ее, струна сможет вновь обрести покой. А пока она продолжает двигаться».
Проскочив пунктирную «линию покоя», струна продолжает двигаться и вновь изгибается, оттягивается, но теперь уже сама. И конечно, изгибается в противоположную сторону. Струна изгибается все сильнее. Скорость ее уменьшается. Голос диктора: «Сейчас струна, истратив свою кинетическую энергию, остановится. Но это лишь кажущийся покой — струна вновь деформирована, и силы упругости снова начинают двигать ее, вновь приближая струну к «линии покоя».
Диктор сказал правду: мы действительно видим, как струна движется к пунктирной линии, вновь сливается с ней на какое-то неуловимое мгновение и, проскочив эту линию, продолжает двигаться… Вот она уже почти на том же месте, куда когда-то оттянул ее палец… Неуловимая остановка, и, изменив направление на обратное, снова в путь, снова к «линии покоя»…
Однако не будем утомлять себя этим однообразным зрелищем. Покинем на время кинозал и попробуем устроить небольшое обсуждение фильма.
Т-91. Свободные колебания — чрезвычайно широкий класс процессов, в которых происходит обмен энергией между двумя ее накопителями. Мы видели, что струна сама по себе двигалась то туда, то обратно, то есть совершала свободные колебания. Струна двигалась относительно некоторого устойчивого состояния, относительно «линии покоя». В процессе колебаний по синусоиде менялась скорость струны, по синусоиде менялось ее отклонение от средней линии. Первопричина всего этого — обмен энергией между двумя накопителями, между силами упругости и движением. Оба накопителя энергии существуют в натянутой струне не каждый сам по себе, они взаимосвязаны — упругая деформация стремится двинуть струн