Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Капельки, которые образуются в растущих грозовых тучах, в момент конденсации вызывают нагревание воздуха — он расширяется и, становясь легче, поднимается вверх. Таким образом, атмосферное давление на уровне моря резко падает, и образовавшуюся пустоту стремительно заполняет окружающий воздух. То есть появляется тот самый ветер, благодаря которому рождаются наши океанические волны. Он знаменует первый этап их жизненного пути.

Как только скорость ветра увеличивается до пары узлов, иными словами до 0,6 м/с, потоки воздуха в результате трения оставляют на воде едва заметные следы. Крошечная, чуть выше сантиметра рябь гуляет по поверхности. Вскоре то тут, то там легкая рябь, похожая на россыпь бриллиантов — ее еще называют «кошачьи лапки» — начинает поблескивать на солнце — там, где, выражаясь словами викторианского поэта Алджернона Суинберна, «…над морем ветер пятками сверкал…»[2].{4} Приметив эту рябь еще издали, моряк уже знает — сейчас задует.

Эта рябь и есть новорожденные волны; они находятся в самом начале своего жизненного пути. С порывами ветра крошечные гребни то появляются, то исчезают; когда ветер усиливается, подросшие гребни уже беспрестанно будоражат водную поверхность.

Как и все маленькие дети, они доставляют своим родителям немало хлопот. С ростом волн трение между водой и воздушными потоками увеличивается — ветер уже не может скользить по океанической глади беспрепятственно. Крошечные завихрения образуются прямо над капиллярными волнами[3], в результате чего ветер воздействует на воду с разной силой. Маленькие волны с готовностью идут на контакт с воздушными потоками — там вырастает гребень, здесь опускается подошва, — увеличиваясь в размерах.

Их рост — всегда результат столкновения сил. С одной стороны это сила ветра, понуждающая водную поверхность вздыматься и опадать, нарушая тем самым ее равновесие. С другой стороны — стремление воды противостоять такому воздействию: она пытается вернуться к прежнему состоянию спокойствия, в котором благостно пребывала в отсутствие ветра. Стремление это обусловлено двумя причинами: силой поверхностного натяжения воды и силой тяжести. Сила поверхностного натяжения противодействует малейшему натяжению поверхности у гребня и малейшему нагромождению у подошвы волны, в то время как сила тяжести тянет гребень волны вниз или (благодаря давлению воды) выталкивает подошву наверх. В своих стараниях вернуть воду к прежнему равновесному состоянию обе силы чересчур усердствуют: гребень продолжает погружаться и становится подошвой, а подошва продолжает подниматься, становясь гребнем. Но изначально, пока наши волны еще пребывают во младенчестве, сила поверхностного натяжения воды преобладает. Такое естественное сопротивление побуждающему воздействию ветра и заставляет маленькие волны перемещаться по поверхности.

Когда волны вырастают сантиметров до трех, они выходят из младенческого возраста — первый этап их жизненного пути завершается. Мы больше не называем их капиллярными волнами, теперь они — гравитационные, потому что вес воды — сила, с которой гравитация воздействует на воду, — оказывает на них преобладающее воздействие. Вес воды пересиливает ветер, стремясь вернуть воде спокойное состояние, но только усиливает молодые волны и приводит их в беспорядок.

* * *

Итак, наши волны, эти шумливые карапузы, прощаются с детством и вступают в следующую фазу развития — вырастают в неуправляемых подростков, по которым воспитательная колония плачет. По мере того, как усиливается ветер, стройные ряды капиллярных волн принимают совсем иной облик. Гребни и подошвы беспорядочно перемешиваются: носятся туда-сюда, сталкиваются, летят кубарем друг через друга — ни дать ни взять группа детсадовцев, неосмотрительно вверенная надзору такого же неугомонного воспитателя. Это явление называется ветровыми волнами[4]. Термин обозначает волнующуюся поверхность воды — ветер хлещет по ней, отдавая все больше своей энергии. Если говорить о зарождающемся шторме, то ветровые волны — стадия, при которой волнение быстро и неуклонно возрастает.

В действительности скорость роста волн увеличивается за счет того, что под удары ветра попадают склоны особенно крупных экземпляров. Когда внутри одной акватории наблюдается мешанина из волн разной высоты и длины, трудно дать репрезентативную оценку их совокупным размерам. Было бы заблуждением описывать волны, ориентируясь лишь на самые высокие, поскольку — среди ветровых — волны выдающейся высоты появляются не так уж часто. Океанографы составляют шкалу или диапазон размеров волн, опираясь на так называемую значимую высоту волны. Это среднее для высот волн, рассчитываемое по трети наиболее высоких из них. Согласен, трудновато для понимания — фраза «высота наиболее высоких волн» куда как проще, — однако в действительности при наличии разброса волн по высоте такой метод расчетов удобнее и показательнее.

Вскоре значимая высота волны вырастает до метра и больше. Это уже не малая волна, это настоящие волны. И воздействует на такие волны не легкий бриз, а ураганный ветер. Маленькие шаловливые волны превратились в волны задиристые, неуправляемые, с крутыми склонами и острыми трохоидальными пиками. Под надзором сурового воспитателя в лице ураганного ветра они все сильнее раздражаются, выходя из себя, пока на их гребнях не начинают формироваться хохолки пены. Волны вот-вот они вступят в третий, наиболее беспокойный этап своего жизненного пути.

Хорошо видно, как во время шторма в районе Северо-Тихоокеанского течения пена ручейками стекает с гребней волн — фотография сделана с борта грузового судна «Благородная звезда» зимой 1989 года. У меня при одном только взгляде на фотографию начинается морская болезнь * * *

Вступая в пору взросления, волны превращаются в форменных забияк. На третьем этапе жизни у особо крупных индивидов появляется пена у рта — барашки. При этом волны, гонимые безжалостным штормовым ветром, перекатываются через самих себя.

Если такой ветер устанавливается надолго, господствуя на обширном пространстве, его порывы срывают с гребней пенные хохолки — по склону каждой волны стекают белые ручейки. «Стена из зеленого стекла с холмиком снега», — так описал эту разновидность волн Джозеф Конрад.{5}

Хотя по мне, так больше напоминает слюну буйнопомешанного. Волны продолжают расти и, наконец, достигают 5 м.

Теперь барашки виднеются повсюду. Моряки иногда называют их «белыми лошадьми». А то и «дочерьми шкипера» — видимо, потому, что к ним, как и к дочерям шкипера, лучше не приближаться, себе дороже выйдет. Пена свидетельствует о том, что волны разбиваются на глубине; мощный ветер опрокидывает их гребни. И эти растущие, изрыгающие пену волны представляют для кораблей наибольшую опасность — они не просто вздымаются, подобно крутым утесам, но и зачастую разбиваются над судном, обрушивая на его палубу тонны морской воды.

Пытаясь избежать подобной напасти, мореходы еще в стародавние времена придумали один хитроумный трюк: чтобы успокоить волнение, они выливали за борт рыбий жир или бросали тюки с пропитанной маслом ветошью, и волны становились тише. Древние греки считали, что такой любопытный эффект получался благодаря маслянистой пленке, распространявшейся на поверхности воды и снижавшей силу трения между ветром и водой: «В чем причина? — задается вопросом древнегреческий историк Плутарх. — Верны ли рассуждения Аристотеля о том, что ветер, скользя по глади морской поверхности, достигнутой таким способом, не оказывает на нее никакого воздействия и не поднимает волнения?»{6}

Возможно, именно этот феномен лежит в основе чуда, о котором свидетельствует живший в восьмом веке англосаксонский летописец и монах Беда Достопочтенный. В своей «Церковной истории народа англов» Беда описывает, как священник, которому предстояло отправиться в путешествие по суше, а вернуться морем, получает от епископа Айдана немного освященного масла — чтобы в случае бури, угрожающей кораблю, смирить ее. Предполагалось, что масло обладает чудесными свойствами — мгновенно успокаивает шторм, возвращая море в тихое, спокойное состояние.{7} В 1757 году феноменом заинтересовался американский ученый-энциклопедист Бенджамин Франклин — наблюдая за поведением волн между соседними судами, идущими во главе каравана через Атлантический океан, он заметил нечто любопытное. Волнение на отрезке между двумя кораблями было гораздо слабее, нежели возле остальных кораблей. Разъяснение ученому дал капитан: наверняка в этом виноваты коки, которые слили грязную, промасленную воду через шпигаты в море. Судя по всему, случай запомнился ученому, потому как спустя шестнадцать лет Франклин в письме к другу Уильяму Браунриггу описал свой опыт, поставленный во время пребывания в Лондоне; целью опыта было изучение эффекта, оказываемого маслом на волнение: