Колебания и волны

Наука – это система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека [21]. Напомним, что система – это совокупность элементов, отличающаяся свойством, отличным от свойств любого из этих элементов. Вот и наука со всеми её щупальцами-отраслями отличается единством и единственностью возможностей адекватного описания мира с целью его осознанных изменений. Единственная функция науки – описательная.

В соответствии с этим, при условии декларированной законом научности общего образования в нашей стране, главной целью и основной задачей этого образования является формирование обучающимися научных описательных компетенций. Чтобы при помощи этих компетенций, приобретённых в разных отраслях единой науки, представленных образовательными предметами, описывать мир и обмениваться описаниями с другими людьми с целью договорённости о совместных действиях по изменению мира [18]. Неважно – на уровне планеты или семьи.

Физика, как отрасль науки, описывающая наблюдаемые явления взаимодействием физических тел и физических полей [17], выделяется среди отраслей науки и образовательных предметов предельной простотой своих моделей, с которых и надо начинать обучение описанию действительности [20]. В этом заключается функция физики как образовательного предмета. Проще физики – только математика.

Физических явлений не существует. Существует физическое рассмотрение явлений действительности. Оно начинается с выделения этих явлений из потока сознания [3] и моделирования их физическими телами, физическими полями, взаимодействием тел и полей. Поскольку из поступающих сигналов мозг строит величины, а из величин – модели, наука оперирует предельно грубыми математическими представлениями этих моделей в величинах и их соотношениях. Основная задача предмета «Физика» – обучение пониманию простейших моделей мироустройства и последующему формированию таких моделей в различных сферах жизни. Традиционно в системе общего образования эта задача решается на уровне коллективного бессознательного. Поэтому сказанное выше находится за пределами внимания и понимания учителей и авторов дидактических материалов – учебников, пособий и научно-популярной литературы. Ну, и подавно – за пределами понимания обучающихся. Отсюда и недоразвитие у субъектов общеобразовательной деятельности строгости мышления и отражающей его речи. Одним из самых ярких проявлений неудачности формирования модельных представлений является изложение в школьном курсе физики темы «Колебания и волны». Вследствие этого понимание чрезвычайно важной и универсальной инструментальной функции соответствующих представлений в лучшем случае затруднено, в худшем – просто отсутствует. Давайте для начала убедимся в этом, а затем постараемся сформировать выход из образовавшегося тупика.

1.1 Колебания

Начнём с того, как представляют колебания некоторые наиболее популярные учебники общеобразовательной школы. Для того, чтобы сразу же подчеркнуть нелепости или неточности этих представлений, в тексте курсивом выделены мои примечания и риторические вопросы.

«Повторяющиеся через равные промежутки времени движения, при которых тело многократно и в разных направлениях проходит положение равновесия, называются механическими колебаниями» [12, С. 99]. (Колебание – это реальные движения реального тела? Что такое «многократно и в разных направлениях»? А если НЕ равные промежутки времени – это НЕ колебания? Да и вообще – механические колебания – это что-то особенное? Бывают ещё другие колебания, и это – принципиально иное?)

«Познакомимся теперь с таким периодическим движением, при котором тело перемещается около своего наиболее устойчивого положения равновесия, отклоняясь от него то в одну, то в другую сторону. Такое движение называется периодическим колебанием» [11]. (Что такое наиболее и наименее устойчивые положения равновесия? Одна, другая, третья, четвёртая стороны… А если НЕ периодическое – то НЕ колебание? И опять – реальное тело реально двигается, и это – колебание?)

В ряде случаев наблюдается определённый прогресс: «При колебательных процессах состояния системы через определённые промежутки времени повторяются точно или почти точно» [9, С. 3]. (Хотя… кем, чем и как определены эти промежутки времени? А если повторяются, но промежутки не определены – что, НЕ колебания? Что такое ТОЧНО ИЛИ ПОЧТИ ТОЧНО?)

Ну, и в качестве примера совсем уж не имеющей смысла попытки что-то сказать о колебаниях в режиме трансляции на основе практического мышления можно отметить работу [6].

Все эти нелепости и неточности или «почти неточности» – из области попыток передать словами принципиально невербализуемые результаты практического мышления с его размытыми и потому непередаваемыми обыденными многофакторными моделями действительности [16]. Попробуйте, пожалуйста, сами вынести чёткое представление о колебаниях из приведенных псевдоопределений.

С учебниками из области высшего профессионального образования дело обстоит несколько лучше. Но лишь несколько.

«Под колебанием понимают всякий периодический или приблизительно периодический процесс, в котором значение той или иной физической величины повторяется точно или приближенно через равные или приблизительно равные промежутки времени» [14, С. 544]. (Ну, хотя бы понятно, что повторяется: физическая величина. А в остальном – всё как в школе: «периодический процесс», «равные промежутки времени», да ещё и «приблизительно»! )

«Колебательное движение (процессы) – движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени» [5].

(Опять «движение», опять «точно или приблизительно одинаковые» …)

«Говоря о колебаниях, или осцилляциях, тела, мы подразумеваем повторяющееся движение его туда и обратно по одной и той же траектории. Иными словами, движение является периодическим» [4, С. 395]. (Того хуже, да ещё и «подразумеваем». А читающему или слушающему это обучающемуся что подразумевать, и вообще присутствует ли здесь разумение?)

«Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определённой повторяемостью во времени» [8]. (Что такое «движения или процессы»? А что, движение – не процесс? Что такое «определённая повторяемость»? )

«К колебательным движениям (колебаниям) относят такие движения, которые характеризуются той или иной степенью повторяемости во времени описывающих их величин» [2]. (Опять движения, и что такое здесь «степень»? )

«Колебанием называется процесс любой физической природы, характеризующийся повторяемостью во времени» [7]. (Повторяемостью чего?)

«Колебания – это любой физический процесс, характеризующийся той или иной повторяемостью во времени и пространстве» [10, С. 136]. (Повторяемостью чего? «Та или иная» – это какая?)

Ну, и как же без Википедии: «Колеба́ния – повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия». (Опять «та или иная степень» … Точка равновесия – что за точка? Уже хорошо, что речь, оказывается, идёт о процессе изменения состояний системы!)

Из всех приведенных попыток определений колебаний достаточно трудно понять, что же «подразумевали» их авторы. Ведь процесс преподавания – это процесс трансляции моделей, а предложенные обыденные модели адекватно и, тем более, однозначно, не могут быть транслированы. И что складывается в головах обучающихся – им, как правило, неизвестно. Могу сказать это с уверенностью, поскольку сам учился в школе. И знаю, ценой каких усилий и ошибок пришлось потом добираться от подразумевания до разумения.

Главная беда: все колебания – какие-то разные, но при этом узкоспециализированные. Общий чёткий взгляд на колебание, его происхождение и назначение отсутствует.

1.2 Волны

Продолжим в том же духе с волнами.

«Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной» [13, С. 266]. (Колебания-то – это что? Колебаний чего? Да и «распространение в пространстве» – в языковом отношении не очень удачно)

«Когда колебательный процесс распространяется в пространстве с течением времени, то говорят о распространении волн» [9]. (Пусть говорят!)

«Процесс распространения колебаний в среде называют волновым» [5]. (А вот это – уже прогресс: речь зашла о среде)

«Процесс распространения механических колебаний в среде называется механической волной» [10, С. 161]. (А если не механических – то и с волной не получается?)

«Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания её частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью v. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной» [13, С. 266]. (А как, например, возбудить колебания частиц в воздухе?)

«Упругой волной называют процесс распространения возмущения в упругой среде» [8]. (А если среда неупругая – например, можно ли говорить об упругости такой среды как электромагнитное поле?)

Википедия: «Волна – это распространяющееся динамическое возмущение (выход из равновесия) одной или нескольких величин». (Величины в равновесии и их динамическое возмущение – терминология, по меньшей мере, странная)

«Волной называются распространяющиеся в пространстве возмущения состояния вещества или поля» [23, С. 49]. (Наверное, подходно наиболее удачно из перечисленного, хотя причём в этом определении волна с её «колыханием»? )

Вот и с волнами, как и с колебаниями – сплошные непонятности. Правда, надо признать, что в ряде случаев волна связывается с распространением возмущения состояния среды, а в плане математического описании намекается на распространение изменения величины. Но из приведенных определений непонятно, почему именно и во всех ли случаях распространение возмущения можно или нужно описывать колебательно-волновыми представлениями.

Если обратиться к названию данной главы книги, то о колебаниях и волнах говорят и пишут фактически что попало в попытках отобразить в словах проявления чувственного опыта людей в рамках обыденных моделей принципиально бессловесного практического мышления [16]. Так что и для собственного понимания, и, тем более, для трансляции этого действительно важного взгляда на мир, необходимо выяснить, с чем же мы реально имеем дело при описании широкого круга явлений действительности.

2.1 Система и её состояние

Мозг человека и действительность существуют раздельно. Точнее говоря, они сосуществуют во взаимодействиях. В русском языке глаголы «существовать» и «быть» – синонимы. Быть – это значит присутствовать в тех или иных пространстве и времени известного на сегодняшний день мира в самом широком смысле этого слова. Позиция человека как субъекта бытия – позиция наблюдателя, нуждающегося в понимании действительности для того, чтобы это его бытие состоялось и продолжалось. Поэтому, рассматривая какую-либо грань мира, мы совмещаем себя с этой гранью в пространстве и во времени – событуем с ней. Изучая, например, Древний Египет, мы погружаемся в его атмосферу, то есть – в то время, в котором происходили интересующие нас процессы, и в то пространство, с его песком, пальмами и пирамидами. И тогда то, что происходило в Древнем Египте, становится для нас событием. Точно так же мы погружаемся и в пространство атомного ядра, и тогда превращение того, что мы модельно представили нейтроном в то, что мы модельно представили протоном, тоже будет для нас событием. Итак, наблюдаем всегда события, охотясь за ними по тем или иным причинам в пространстве и времени – далёких или близких. Ниже, в разделе 2.2, ещё вернёмся к наблюдению событий и его последствиям. А сейчас только отметим, что отправляемся к событию, вылавливая его в потоке сознания, текущем в коре головного мозга [3], в соответствии с интересом [1], то есть в связи с возникшей потребностью.

События происходят в мире. Они оказываются наблюдаемыми благодаря взаимодействиям определённого множества элементов этого мира. Элемент – это то, что в данном конкретном рассмотрении не подлежит дальнейшему разделению, препарированию. Системой называется совокупность элементов, отличающаяся свойством, которого нет ни у одного из этих элементов в отдельности. Простой пример: куча болтов, гаек и других деталей – просто совокупность, пока они все не собраны в двигатель. А двигатель – это уже система. У глагола «существовать» в русском языке есть ещё один устойчивый синоним – «стоять». И уж если система существует в нашем представлении, то она состоит с нами, то есть у неё есть состояние (с нами). Состоянием называется способ описания существования системы (наблюдателем). Обратите внимание, как часто мы пользуемся этим словом для описания конкретики существования той или иной системы. Говоря о процессах в исследуемой системе, мы всегда имеем в виду изменения состояния этой системы во времени. Описывая мир, наука говорит с нами на языке состояний и их изменений.

Довольно часто в процессе изменения состояния системы конкретные состояния могут повторяться во времени. Ну, прямо как определённые положения люльки, в которой наши предки убаюкивали детей. По-старославянски «колыбать» – «качать».

Поэтому, в соответствии с технологией введения определений понятий [17], колебанием называется процесс изменения состояния системы, сопровождающийся повторением конкретных состояний во времени. Колебание – не движение. Если у бабушки повторяются отклонения от нормы в работе сердечно-сосудистой системы, то она описывает это как повторяющиеся болезненные состояния, но при этом не извивается прихотливо и не бегает ускоренно «туда и обратно». Прямо так и говорит бабушка – дескать, состояние колеблется: то хуже, то лучше, то опять лучше.

Что же мы сделали? Не поддаваясь всяким безграмотным глупостям, в соответствии с требованиями здравого смысла и образовательного стандарта ввели определения необходимых понятий: события, системы, состояния системы и колебания как процесса изменения состояния системы. В итоге у нас появился инструмент для описания определённой группы процессов. Кстати, не только в физике: и в других отраслях науки, в технике, политике, физиологии нашего организма…

2.2 Явления, свойства и величины

Вот теперь уточним, как же именно происходит построение описания явления мозгом. Основой всех наших действий, в том числе описательных, является содержательная деятельность мозга. При появлении сигнала от действительности мозг сопоставляет его с уже имеющимися в его практически бездонной памяти. Сигналов от периферийных датчиков поступает в мозг множество, в том числе и по поводу какого-либо определённого явления. Эти сигналы накладываются друг на друга, да так, что отследить порядок и состав этого наложения не представляется возможным. В итоге в мозге формируется диковинной формы суперсигнал, соответствующий данному явлению. При одной и той же форме сигнала его интенсивность может быть различной. Следовательно, существует мера сигнала и её надо ввести. По-русски «большой» – «великий»; следовательно, «большина» сигнала – его величина. Исходя из всего сказанного, величиной называется мера системной суперпозиции сигналов разных рецепторных полей коры головного мозга.

Итак, в окружающей нас, в том числе и изнутри, действительности происходят события, являющиеся нам в наблюдении. То есть происходят явления. Мозг описывает наблюдаемые явления величинами, принимающими различные числовые значения. Из этих величин с их числовыми значениями мозг строит модели действительности