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.

---

По мере продвижения на открытом морском пространстве сборище разновеликих волн, возникших под влиянием сильного ветра, начинает упорядочиваться. Правило простое: длинные волны перемещаются быстрее коротких. Возникает ассоциация с марафонским бегом, при котором скорость бегунов зависит исключительно от длины их ног, — каланчи бегут быстрее коротышек. При звуке стартового пистолета пестрая компания бегунов разного роста одновременно пускается бежать. Однако в соответствии с правилом — чем длиннее у бегуна ноги, тем быстрее он бежит — толпа постепенно принимает следующий вид: каланчи впереди, коротышки позади.

То же самое происходит и с разновеликими волнами. По мере продвижения на открытом морском пространстве более длинные океанические волны идут быстрее, чем короткие — 80 км/ч против 50 км/ч, — в результате чего движение принимает организованный характер.

По мере распространения по все более обширной акватории высота волн убывает, они сглаживаются, вступая в фазу зрелости: нет больше крутых, с острыми пиками, трохоидальных гребней, подгоняемых ветром. Волны теряют стремительность бега, каждый новый гребень принимает форму пологого холма: «необъятный океан колышется низкими, широкими волнами — будто бы вздымает могучую грудь, глубоко вдыхая после изматывающей бури»{12}, — написал теоретик искусства Джон Рескин, живший в викторианскую эпоху.

Плавные линии волн теперь больше напоминают зыбь с картины Клода Моне «Зеленая волна». Моне первым начал изображать морской пейзаж в импрессионистской манере; собрат по цеху, Эдуард Мане, называл художника «Рафаэлем воды».

Но вы знаете, на месте Моне я бы оскорбился — неужели Мане не мог придумать комплимент пооригинальней?

* * *

По правде сказать, волны, вступая в четвертый этап своего жизненного цикла, пересекают просторы океана гораздо более загадочным и интригующим образом, нежели недавно упомянутые бегуны-марафонцы. Дело в том, что следующие одна за другой волны зыби — явление весьма любопытное. Зыбь представляет собой группы довольно больших волн, отделяемые друг от друга промежутками, в которых катятся волны поменьше, иной раз настолько маленькие, что они почти незаметны.

Клод Моне, «Зеленая волна» (1866-1867). Забудьте о цветовой палитре, лучше вглядитесь в волны зыби — гладкие, с плавными изгибами

Но и это не самое удивительное. Поражает то, что гребень отдельной волны перемещается быстрее, чем вся группа в целом. Он вырастает из более спокойной воды позади группы, проходит через группу и снова исчезает — в спокойной воде впереди группы. Не просто придумать аналогию, наглядно объясняющую такое странное поведение. Мне пришел в голову лишь поезд, в котором едут… нет, не сами марафонские бегуны — их привидения.

Когда поезд, попыхивая, приближается к станции, он едет со скоростью, примерно равной скорости бегущего трусцой. Даже окончив свой земной путь, марафонские бегуны, вернее их привидения в поезде, не могут остановиться: появляясь в хвосте каждого вагона, они бегут и, добегая до головы, исчезают. Любой пассажир на перроне, готовясь отправиться в свой последний путь, заметит идущий со скоростью бегуна трусцой поезд и одновременно пробегающих в каждом вагоне призрачных бегунов. И ему будет видно, что сами бегуны двигаются в два раза быстрее вагонов. Как ни странно, именно так волны зыби и перемещаются. Гребни волн проходят через всю группу в два раза быстрее той скорости, с которой движется сама группа.

Такое странное поведение вступивших в пору зрелости волн объясняется наложением волн с примерно одинаковой длиной. Более длинные и быстрые волны входят в ту же воду, в которой находятся волны чуть более короткие и медлительные, при этом их гребни и подошвы совмещаются и вновь расходятся так, как показано на схеме на странице 37.

Если же механизм перемещения зыби кажется вам излишне трудным для понимания, выкиньте мою аналогию с привидениями из головы, прислушайтесь лучше к словам поэта Ральфа Уолдо Эмерсона: «Иллюзией исполнена волна»{13}.[5]

* * *

Но представим себе волну… Кому-то наши рассуждения о всяких там вершинах и подошвах покажутся довольно поверхностными, их интересует другое: что же все-таки творится на глубине?

Вы наверняка запомнили, что во время прохождения волны вода на поверхности перемещается по близкой к круговой траектории — возвращается почти в ту же самую точку, откуда начинала движение. Дело в том, что масса воды ниже поверхности движется точно так же, разница лишь в том, что чем глубже, тем круговая траектория движения меньше. На глубине, равной половине длины волны, круговые орбиты вообще сходят на нет. Ниже основания волны движение воды ничтожно. Вот почему подводные лодки, погружаясь всего на какие-то 150 м, легко избегают последствий даже самого сильного шторма, свирепствующего наверху.

Вообще-то, волны появляются и гораздо ниже поверхности воды — их называют внутренними волнами. Это настоящие гиганты; они рождаются в мрачных глубинах — на границах слоев разной воды. Если слои сильно различаются по плотности — например, один слой намного теплее или солонее другого, — граница между ними во многом напоминает поверхность океана. Внутренние волны перекатываются вдоль подводной границы точно так же, только на глубине они невидимы.

По мере прохождения волны вода перемещается по круговым траекториям; чем глубже, тем круги меньше 

Внутренние волны приводятся в движение не ветром, а приливами и отливами. Зачастую подводные волны гораздо больше волн на поверхности: обычная длина внутренней волны составляет около 20 км, высота — до 200 м.

Подводные лодки, погружаясь на глубину, запросто уходят от штормовых волн на поверхности, однако влияния таящихся внизу волн им не избежать. Когда в 1960-х годах русские пытались тайно пройти Гибралтарским проливом, одна такая внутренняя волна подхватила советскую подводную лодку, разбив ее о нефтяную платформу. Можно представить, что некоторые члены команды при этом испытали.

* * *

Волны выражают настроение океана. Море безмятежное, спокойное, в добром расположении духа нежно ласкает берег, мягко, как колыбель, покачивает вашу лодку. Море яростное, штормящее олицетворяет собой разрушительные силы природы. Благодаря экспрессивному характеру населяющих океан волн, никогда не оставались без богатого улова те, кто забрасывал свой невод в поисках выразительной метафоры.

Воспетые Гомером мореплавания Одиссея полны встреч со всевозможными бурями, которые морской бог Посейдон насылал на героя. Со времени возникновения «Одиссеи» жизненный путь человека зачастую сравнивают с плаванием по бурным водам — мореплаватель бороздит океан в поисках тихой гавани, ждущей его в конце пути. Однако драматурги и поэты древности верили — последнее слово всегда остается за штормовыми волнами. Противостояние человека морской стихии неизбежно оборачивалось неравной борьбой против своенравных и капризных богов. И в такой борьбе доблесть и отвага простого смертного подвергались самым суровым испытаниям. Спустя 250 лет после Гомера древнегреческий драматург Софокл написал:

Много есть чудес на свете,
Человек — их всех чудесней.
Он зимою через море
Правит путь под бурным ветром
И плывет, переправляясь
По ревущим вкруг волнами.{14}

Беспрестанное движение волн, то вздымающихся, то опадающих, напоминает взлеты и падения на жизненном пути. Не поэтому ли те, кто наблюдает за волнами, способны отнестись к своему жизненному пути философски? Хотя, в то же время, Уолт Уитмен шестидесяти шести лет, находясь в Нейвсинке, штат Нью-Джерси и созерцая разбивающиеся у берега буруны, наверняка был поглощен собственными мыслями и даже не задавался вопросом о том, ныряющие перед ним буруны или скользящие:

На волны глядя вдаль, я вспоминаю жизнь свою, я подвожу итоги.
На каждом гребне свет и тень колышутся — в них прошлого картины:
Вот я ликую, странствую, учусь, безмолвным видам внемлю — миг за мигом,
Давно минувшая война, бои, военный госпиталь, увечья, смерти,
И я везде, и я сквозь них иду: вот юность праздная, вот старости дыханье,
Все шесть моих десятков лет, и их итог, и сверх того, и дальше,
Вкусивший тех и этих идеалов и никуда уже не рвущийся, никчемный,
Но все же капля в Божьем замысле — быть может, волна, а может, часть волны,
Твоим подобной, многоликий океан{15}.[6]

Ключ к загадке тайного наблюдателя за волнами, изображенный на автопортрете Уильяма Хогарта «Художник и его мопс» (1745)

Ну и, в конце концов, волна привлекает своей формой. Многие художники находили гладкую, с изгибами синусоиды волну одной из самых прекрасных линий в природе, поскольку она напоминает — а ведь так оно и есть — формы возлежащей на боку женщины. Английский художник Уильям Хогарт поместил змеевидную кривую на автопортрете, написанном в 1745 году. Волнистая линия изображена выгравированной на палитре художника в нижнем левом углу картины; под ней — надпись: «Линия красоты и изящества». Когда картина обрела известность, многие стали интересоваться у художника значением таинственной линии. В качестве своеобразного ответа Хогарт написал трактат под названием «Анализ красоты». «…Змеевидная линия, — пояснял он, — изгибаясь и извиваясь одновременно в разных направлениях, доставляет удовольствие глазу, заставляя его следить за бесконечностью своего многообразия…»{16} Наблюдая за линиями, создаваемыми «…приятным движением корабля на волнах»{17}, наш глаз получает то же наслаждение, что и при созерцании «…извилистых аллей, змеящихся речек…»{18}.