Дийграаф рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучей мыши в полете, не издают никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного голоса, отраженное от окружающих предметов, извещает зверьков о препятствии на пути.
Это наблюдение навело ученого на мысль проделать следующий опыт. Он надел на голову зверька бумажный колпак. Спереди, точно забрало рыцарского шлема, в колпаке открывалась и закрывалась маленькая дверка. С закрытой дверкой на колпаке мышь совсем не могла лететь и то и дело натыкалась на предметы. Стоило лишь в бумажном колпаке поднять забрало, как зверек преображался, его полет вновь становился точным и уверенным.
Результаты своих наблюдений Дийграаф опубликовал в 1940 году, а в 1946 году советский ученый Е. Я. Пумпер сделал очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физическую природу эхолокации. Он считал, что летучие мыши каждый новый звук издают сразу же после того, как услышат эхо предыдущего сигнала. Таким образом, ультразвуковые импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом.
Значит, чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новые крики. Наконец, при непосредственном приближении к препятствию ультразвуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро.
Дальнейшие опыты показали, что летучая мышь перед стартом издает в секунду лишь 5—10 импульсов. В полете учащает их до 30. При приближении к препятствию ультразвуковые сигналы следуют еще чаще: 50 — 60 раз в секунду. Некоторые мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду.
Но не все звуки, используемые летучими мышами для навигации, совершенно не слышны.
Может быть, кому-нибудь из вас случалось теплым вечером наблюдать за полетом мышей и слышать издаваемые ими звуки. Они настолько слабы, что их легко принять за шорох листьев. Очевидно, поэтому-то их Спалланцани и не заметил.
Длительность слабо слышимой части импульсного сигнала весьма мала. Этот звук напоминает тиканье ручных часов. Однако, в отличие от часов, частота тиканья, издаваемого летучей мышью, может заметно изменяться.
Когда летучая мышь летит прямо на удаленное от нее препятствие, то она издает от пяти до двадцати гиканий в секунду. В тех случаях, когда перед ней возникает более сложная навигационная задача, например когда ей нужно избежать столкновения с живым предметом или с палкой, поднятой над головой, можно услышать, что тиканье внезапно учащается, пока не перейдет в слабое жужжание. То же самое происходит перед посадкой летучей мыши. Звуки тиканья при этом настолько слабы, что услышать их можно только в полной тишине и проявив значительное терпение.
Объяснить тайну летучих мышей помогло появление новой электронной аппаратуры. В одной из лабораторий физического факультета Гарвардского университета в США Г.Пирс начал проводить исследования по изучению свойств ультразвуков, т. е. звуков, лежащих выше слухового порога человека. Под его руководством в 1937 г. был создан прибор — звуковой детектор, позволяющий улавливать звуки широкого диапазона частот. Именно этот прибор зарегистрировал неслышимые звуки летучих мышей, когда в 1938 г. студент-биолог упомянутого выше университета Дональд Гриффин принес в лабораторию Пирса полную клетку летучих мышей. Вспоминая об этом, Гриффин писал: «Как только я поднес летучих мышей к аппарату Пирса, сразу же обнаружилось, что они издают множество звуков, но почти все эти звуки попадают в диапазон частот, лежащих выше порога слышимости человека».
Пирс и Гриффин провели частотный анализ звуков, излучаемых летучими мышами в полете, и установили, что частоты этих звуков лежат в диапазоне 30000— 70000 Гц при наибольшей интенсивности в области 45000—50000 Гц. Далее они обнаружили, что животные издают звук не непрерывно, а в виде дискретных импульсов, длительность которых составляет 1/100 – 1/200 с.
Однако установление факта излучения ультразвука летучими мышами, несмотря на всю его важность, еще не объясняло способность животных беспрепятственно летать в полной темноте. Требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно используют ультразвук в целях ориентировки в пространстве и что они способны воспринимать эхо от этих звуков, отраженных от встречаемых на пути препятствий. Используя барьеры вертикально натянутых проволок, Гриффин и Галамбос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодолевать препятствия при частичном или полном выключении зрения, слуха и при закрывании рта.
Эксперименты Гриффина и Галамбоса вновь подтвердили, что летучие мыши отлично ориентируются и без участия зрительной рецепции, но полное (двустороннее) или частичное (одностороннее) выключение слухового аппарата влечет за собой резкое ухудшение их способностей своевременно обнаруживать и избегать препятствия. Однако в этих опытах авторы пошли дальше своих предшественников. Они показали, что закрывание рта летучей мыши, лишающее ее возможности издавать эти высокочастотные звуки, оказывается столь же эффективным, как и плотное затыкание ее ушей.
Первоначально летучих мышей считали единственными представителями животного мира, использующими эхолокацию в целях ориентировки в пространстве.
Но уже 50-е годы принесли новые неожиданные открытия. В 1953г. звуковая локация была обнаружена у ночных птиц гуахаро, гнездящихся в глубоких пещерах Венесуэлы, а несколько позднее — у стрижей-саланганов, у одного из родов группы крыланов и ластоногих (см. приложения, рисунки 5, 6, 7), некоторых насекомых и грызунов. Но наибольшую сенсацию вызвали сообщения о наличии эхолокации у обитателей водной среды — китообразных (см. приложения, рисунки 8, 9). Честь этого открытия признается за пионером в изучении поведения и биологии дельфинов в неволе, куратором океанариума в Сан-Августино А. Мак-Брайдом.
Использование локации в технике
В туманные декабрьские дни 1943 года из портов Англии вышел большой караван грузовых кораблей. Корабли везли военные грузы в один из северных морских портов нашей Родины. У берегов вражеская воздушная разведка обнаружила караван. Немцы выслали наперерез англичанам «карманный» линкор «Шарнхорст».
Военные корабли, охранявшие караван, с помощью специальной радиоаппаратуры нащупали немецкий линкор и встретили врага огнем. Во мраке полярной ночи стрельба корректировалась по наблюдениям на экранах радиолокационных станций.
«Шарнхорст» попытался уйти от обстрела. Несколько раз ему это удавалось. Но радиолуч, способный пройти сквозь тьму и туман, вновь и вновь нащупывал немецкий линкор.
Бой в черноте полярной ночи длился около десяти часов. «Шарнхорст» пошел ко дну...
В том же 1943 году английская эскадра при помощи радио обнаружила в просторах Атлантического океана немецкий линкор «Бисмарк». Из низко нависших туч лил дождь. В этом морском сражении обе стороны применили радиолокационную аппаратуру.
Бой продолжался три дня. «Бисмарк» пошел ко дну от попадания трех торпед, после того как был предварительно поврежден огнем артиллерии. Однако немецкий линкор своим огнем пустил ко дну самый большой в то время в Англии крейсер «Худ».
По утверждению специалистов, гибель «Худа» последовала из-за консервативности командования английского крейсера.
Дистанцию до «Бисмарка» на «Худе» определили по показаниям оптического дальномера и показаниям радиолокационной станции. Когда между ними оказалось расхождение, то командование предпочло довериться оптике. Залп с «Худа» лег с недолетом: дистанцию правильно определила радиолокационная станция и неверно оптический дальномер. Внести поправку уже не удалось. Ответные снаряды с «Бисмарка» пробили броневой пояс крейсера и по чистой случайности попали в артиллерийский погреб. Последовал взрыв, и «Худ» быстро затонул.
Радиолокация была самой большой тайной в годы второй мировой войны. Не только гражданское население воюющих стран, но и не посвященные в эту тайну военные могли только удивляться необычному искусству операторов радиолокационных станций обнаруживать вражеские корабли и самолеты в темноте и в тумане.
И только после войны в печати стали появляться сведения об их устройстве и принципе действия. Оказалось, что действуют они точно так же, как и летучие мыши. Разница только в том, что мыши расстояние до препятствия определяют по запаздыванию звукового эха, а радиолокационные станции - по эху радиоволн.
Вы стоите у скалы и, громко крикнув, слышите эхо своего голоса. Зная скорость звука и измерив по часам время от начала крика до прихода эха, легко определить расстояние до скалы. Подобно этому радиолокатор излучает мощный электромагнитный сигнал, а затем принимает его слабое отражение. Правда, скорость распространения радиоволн не 340 м/с, как у звука, а 300 000 000 м/с. Почти в миллион раз больше! Поэтому и время прохождения сигнала до препятствия и обратно измеряется не в секундах, как в первом примере, а в микросекундах.
Антенна большинства радиолокационных станций имеет форму вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или из сетки. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как радиовещательная станция, а узким лучом, подобно прожекторного зеркала.
Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворачивая антенну вверх или вниз, вправо или влево.
Если электромагнитный сигнал не встретит на своем пути препятствия, то он уйдет в космическое пространство и там исчезнет. Если же встретится какой-либо предмет - корабль, самолет, скала или айсберг, радиолуч отразится от него и пойдет обратно. Далее отраженный сигнал улавливается специальным приемником.
Следовательно, направление на цель с помощью радиолокатора определяется довольно легко. Цель, например корабль или самолет, находится там, откуда вернулось эхо.
Указателем направления служит зеркало антенны. Оно «смотрит» точно на цель. Если цель движется, то оператор станции, поворачивая антенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за нею, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожектора.
Радиолокатор, как и летучая мышь, посылает свои сигналы отдельными, отрывистыми импульсами. Импульсный сигнал должен быть очень мощным, чтобы вообще можно было уловить его слабое эхо.
Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных долей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в паузах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. Здесь заложен такой принцип: «рот» молчит, когда «уши» слушают. Кроме того, когда передатчик излучает радиоимпульс, приемник должен быть закрыт для приема сигнала. В противном случае он «оглохнет» и перестанет работать.
