Częstotliwości czyli zaburzenia okresowe. Fizyka czy filozofia?

Popularyzator nauk ścisłych, szczególnie informatyki, matematyki i fizyki, prof. nadzw. Wojciech Nowakowski, przedstawia dziś krótki esej na temat częstotliwości. Czym są częstotliwości, do czego służą i czy nam służą…? Oto kilka słów z pogranicza fizyki i filozofii.

Częstotliwości… Słowo to zrobiło niebywałą karierę i zdominowało liczbę pojedynczą – liczbą mnogą. Dawniej, w publicznym obiegu była tylko częstotliwość, niekiedy nazywana też częstością. Fizycy jednak nadali temu słowu, zwłaszcza w wersji pierwszej, znaczenie konkretne. Oznacza ono, jak częste są zaburzenia okresowe, czyli powtarzające się równomiernie w czasie. Okres, oznaczany zwykle T, to czas miedzy kolejnymi zaburzeniami, jest matematycznie odwrotnością częstotliwości f.

Te zaburzenia okresowe, czyli drgania nie przenoszą materii. Są tylko zaburzeniami, czyli falą właśnie. Mogą one jednak wędrować, niektóre nawet szybko.  Mogą być też zasadniczo dwóch rodzajów, nazwałbym ludzkie i nieludzkie. Te pierwsze widzimy (ruchy mechaniczne, np. wody) lub słyszymy (dźwiękowe, głos czy muzyka). Te drugie, na przykład światło i ciepło, też nie są obce naszym zmysłom, choć nie rozumiemy ich natury.

Zrozumieć częstotliwości

Pierwszy rodzaj – częstotliwości przekraczającej nieco 300 GHz, to fale radiowe. Ich nie widać, ale są podstawą zastosowań łączności, choć tych ponad ponad kilka GHz jeszcze nie opanowaliśmy technologicznie. Dalej to podczerwień, czyli ciepło. Potrafimy ją wykorzystać (np. piecyki jakiekolwiek i noktowizory), ale nie zobaczymy ich bez sprzętu. Dalej – pasmo widzialne. Potem nadfiolet, który jest dla człowieka szkodliwy, ale jednocześnie bardzo użyteczny, na przykład w medycynie (sterylizacja) i szeroko w kryminalistyce (badanie śladów i fałszerstw). Jeszcze dalej to zasłużone dla diagnostyki promieniowanie rentgenowskie, a na końcu wypełniające wszechświat, a zabójcze dla przy ekspozycji bezpośredniej promieniowanie gamma. Mamy też zakres częstotliwości, w którym zezwala się działać operatorom komórkowym.

Ale jak? Wszystkim na raz? I tu dochodzimy do sedna sprawy: to są przedziały częstotliwości, które dzieli się na kawałki, czyli pasma, i sprzedaje (za duże pieniądze). By jednak to zrozumieć, musimy zrozumieć jak zawartość pasma jest dzielona i sprzedawana po trochu. Czyli zrozumieć co to jest modulacja.

Sygnał radiowy niezmodulowany to tzw. fala nośna. Modulacją nanosimy nań zmiany, tu amplitudy. Nasza fala niesie już informację. W skali częstotliwości jej obraz to trzy prążki: nośna i dwa sygnału użytecznego. Zwiększając częstotliwość nośnej uzyskujemy miejsce na nowe kanały. W jednym kanale, miedzy krańcami, mieści się całe akustyczne pasmo użyteczne, czyli to, co chcemy przesłać – głos, muzykę lub obraz. To cała zasada, na najprostszym przykładzie modulacji amplitudowej. Nowoczesna technika wykorzystuje głównie nie modulację amplitudy, ale innych cech sygnału. Zasada jednak pozostaje taka sama.

Po raz pierwszy esej ten ukazał się na blogu prof. Nowakowskiego, źródło TU. Tam też znajdziecie ilustracje, które wykorzystał autor oraz dodatkowe wyjaśnienia, które są z nimi związane. Więcej esejów naszego autora TU.

Zdjęcie Igor Ovsyannykov z Pixabay