Первое знакомство с волнами


Море никогда не бывает совершенно спокойным. О нем часто говорят, как о живом существе: море шепчет, море шумит и т. и. Даже в штилевую погоду, когда на поверхности зеркально гладкого моря глаз не может уловить какой-либо неровности, у берега легко заметить, как вода совершает небольшие ритмические колебания, омывая камни, гальку и песок. Перемещения воды приводят в движение песчинки и мелкие камешки, при этом создается звук, напоминающий шёпот. Вода совершает ритмические движения у берега моря потому, что в море распространяются пологие волны, не приметные глазу человека. Эти волны могли быть созданы либо ветром, бушевавшим над морем где-то невдалеке за много часов до того, как наблюдался «шёпот моря», либо штормом, прошедшим на очень большом расстоянии от берега (например, в 1000 километров), и им пришлось пробежать все это расстояние, прежде чем привести в движение воду у берега.

Если по зеркально гладкой поверхности моря бегут хорошо заметные чередующиеся гребни и ложбины волн, по внешнему виду удивительно напоминающие друг друга, то такие волны при подходе к берегу будут разбиваться пеной и брызгами. При этом шум будет издаваться тем больший, чем больше высота (расстояние по вертикали от гребней до ложбин) разбивающихся волн.

Более высокие и крутые волны на поверхности моря, очевидно, свидетельствуют о том, что в районе наблюдений недавно прошел шторм или же эти волны были вызваны штормом, прошедшим, а может быть и проходящим, не очень далеко от места наблюдений.

При взгляде на взволнованную поверхность моря создается впечатление, будто вместе с волнами, бегущими по поверхности воды, перемещается и масса воды. В действительности это вовсе не так, в чем легко убедиться, бросив на водную поверхность какой-либо плавающий предмет. Этот предмет будет лишь покачиваться на волнах, оставаясь на месте.

Однако, даже убедившись в том, что гребни и подошвы волн поочередно убегают из-под поплавка, а поплавок остается на месте, трудно представить себе, как движутся частицы воды при волновом движении поверхности моря. Чтобы разобраться в этом сложном явлении, следует вспомнить, как ведет себя трава некошеного луга, заросли камыша, мелкого кустарника или как ведет себя в ветреную погоду большое поле пшеницы, ржи, овса или проса. Можно вспомнить, как колеблется каждый отдельный стебель или его вершина, как вдали от наблюдателя, где вершины стеблей сливаются в сплошную видимую поверхность, бегут гребни и подошвы волн, напоминающие взволнованную поверхность моря. Теперь легко догадаться, что достаточно последовательных колебаний стеблей около некоторого среднего положения, чтобы сложилось впечатление бегущей волны.

Если проследить или даже представить себе, как колеблется каждый отдельный стебель от вершины до корня, легко выяснится, что вершины стеблей совершают большие размахи, чем части стеблей, расположенные ближе к корню, так как сам корень остается неподвижным.

Точно так же ведут себя и частицы воды. Самые большие колебания совершают частицы воды, расположенные на поверхности моря. По мере удаления частиц воды от поверхности моря в глубину размахи колебаний каждой из них уменьшаются настолько, что на некоторой глубине эти колебания вовсе затухают.

Проследить за направлением движения частиц воды при перемещении волн можно по поведению водорослей. Когда проходит гребень волны, растение наклоняется вперед, в направлении движения волны. При прохождении склона между гребнем и ложбиной водоросль как бы прижимается ко дну. Затем, при подходе к ней ложбины, водоросль становится почти вертикальной. Далее, когда ложбина будет проходить над водорослью, она вновь наклонится, но уже в противоположную сторону относительно направления движения волн. Затем вновь займет вертикальное положение и т. д. (рис. 1).

Проследив за движением водорослей при перемещении волны, легко представить себе, как движутся частицы воды. Очевидно, когда проходит гребень волны, водоросли наклоняются в направлении ее распространения; в этом же направлении перемещаются и частицы воды, ибо их движение и заставляет водоросли наклоняться. Далее, те же частицы прижимают водоросль ко дну, двигаясь вниз. Затем они изменяют направление своего движения на противоположное направлению движения волны и на некоторый момент заставляют водоросль занять вертикальное положение. Перемещаясь в том же направлении, частицы воды склоняют водоросль в направлении, противоположном движению волны. Затем частицы начинают перемещаться снизу вверх и своим движением как бы стремятся выдернуть водоросль, оторвать ее ото дна, поэтому водоросль вновь вытягивается вертикально.

Так можно себе представить, что каждая частица воды при волновом движении описывает окружность, называемую орбитой. Частицы воды, находящиеся на поверхности моря, описывают орбиты наибольшего радиуса. А чем глубже от поверхности моря расположена частица, тем меньше радиус орбиты, по которой она движется. Частицы движутся в вертикальной плоскости, расположенной параллельно направлению распространения волны.

Каковы же размеры орбит, по которым перемещаются частицы при распространении волн? Нетрудно догадаться, что когда частица воды на поверхности моря занимает высшую точку на орбите, по которой она скользит, то именно в это время проходит гребень волны. Наинизшее же положение точки на круговой орбите соответствует, подошве волны (рис. 2). А если так, то длина орбиты частицы поверхности моря, определяется ее диаметром, который в точности равен расстоянию, отсчитанному по вертикали от подошвы до гребня волны. Это расстояние называют высотой волны. Иными словами, диаметр орбиты частицы воды, находящейся на поверхности моря, равен высоте волны.

Кроме высоты, у волн различают еще и другие элементы: длину, период, скорость и крутизну.

Длиной волны называют расстояние от гребня до гребня; периодом — время, в течение которого два последовательных гребня проходят мимо неподвижной точки; скоростью — расстояние, на которое перемещается гребень или вся форма волны за 1 секунду. Крутизна волны приближенно определяется, как отношение высоты к длине волны.

Вопрос о том, с какой скоростью перемещается частица воды по своей орбите, представляет большой практический интерес. Дело в том, что если бы скорость движения частиц была очень большой, то это не могло бы не отразиться на плавании судов или живых организмов в море. Тогда движение плавающих предметов по направлению перемещения волны должно было бы ускоряться, а движение против волн было бы сильно замедленным. В действительности же всякий плававший в море во время волнения прекрасно знает, что хотя по направлению движения волн и легче плавать, чем против волн, но все же эта разница не очень ощутима. Это обстоятельство показывает даже без каких-либо расчетов, что скорость движения частиц по орбитам не так уж велика. Чтобы убедиться в этом, можно привести небольшой расчет.

Скорость движения частицы, очевидно, зависит от размеров орбиты и от времени, в течение которого частица проделывает полный круговой путь. Длину пути легко рассчитать, если вспомнить, что диаметр орбиты равен высоте волны, а окружность больше своего диаметра в 3,14 раза. Следовательно, длина пути, совершаемого частицей, в 3,14 раза больше высоты волны.

Расчет времени, в течение которого частица воды проделывает полный круговой путь, немного сложнее. Если мы начнем следить за движением частицы воды с момента, когда она занимала наивысшее положение на орбите, то есть с момента, когда проходил гребень волны, то нам придется ждать, пока частица воды не вернется в точку, из которой она вышла, ровно столько времени, сколько необходимо для прохождения двух последовательных гребней мимо неподвижной точки (см. рис. 2). Стало быть, время, необходимое частице на то, чтобы обежать всю орбиту, равно периоду волны. Но с другой стороны, период волны, то есть время прохождения двух последовательных гребней, будет тем меньше, чем больше скорость волны, то есть скорость, с которой перемещается форма волны.

Кроме того, период волны зависит также и от длины волны, так как чем больше расстояние между двумя последовательными гребнями, тем больше потребуется времени на то, чтобы два гребня прошли через одну неподвижную точку. Так как длина волны всегда значительно больше ее высоты, то скорость движения частиц по орбитам всегда значительно меньше скорости перемещения формы волны.

Для примера можно взять волну, наблюдавшуюся в Индийском океане: высота 7,5 метра, длина 130 метров, скорость перемещения формы волны 16,7 метра в секунду и период 7,7 секунды. Рассчитаем длину орбиты частицы воды, находившейся на поверхности этой волны. Для этой цели достаточно умножить высоту волны 7,5 метра на 3,14. Перемножая, получим длину орбиты 28,5 метра. Разделив эту величину на период, получим орбитальную скорость, равную 3,5 метра в секунду. Таким образом, в случае рассмотренной волны орбитальная скорость частицы почти в 5 раз меньше скорости перемещения формы волны. Однако рассмотренная волна имела очень большую крутизну. В этом случае длина волны была только в 17 раз больше высоты. Если бы мы взяли для рассмотрения более пологую волну, то разница между скоростью волны и орбитальной скоростью частицы оказалась бы еще больше. Например, для волны 3-метровой высоты, имеющей длину 120 метров и скорость 14 метров в секунду, орбитальная скорость частицы была бы немногим больше 1 метра в секунду.

Приведенные скорости движения частиц по орбитам представляют собой довольно внушительные величины. Ведь если попасть в поток воды, несущейся со скоростью всего 1 метр в секунду, то из него не так легко будет выбраться даже хорошему пловцу. На самом же деле купающийся на волнах обычно не ощущает таких больших скоростей движения воды. Это объясняется очень просто. Ведь частицы, движущиеся по круговым орбитам, имеют чисто горизонтальное движение лишь очень короткое время, а именно тогда, когда они занимают либо наивысшее положение на орбите, либо наинизшее. Только на самом гребне волны или у ее подошвы они движутся горизонтально. Кроме того, каждая частица движется по своей орбите, поэтому время, когда они движутся горизонтально, у разных частиц оказывается различным, а в один и тот же момент скорости частиц направлены неодинаково. Поэтому, если плавающий предмет имеет размеры, равные длине волны или хотя бы половине длины волны, на него одновременно будут действовать как частицы, движущиеся в направлении движения волны, так и частицы, движущиеся в противоположном направлении. Пловец же, плывущий по взволнованной поверхности моря в направлении распространения волн, всегда испытывает некоторое ускорение своего движения на гребнях волн и замедление движения у подошв волн. Но это ускорение и замедление по названным причинам невелико и кратковременно. Однако в некоторых случаях, когда искажается форма волны, например при вступлении на мелководье, движения частиц на гребне становятся не только заметными, но и опасными.