Юный техник, 2014 № 12

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ Рукотворные волны

«Если вы когда-нибудь пытались достать какой-либо предмет, удаляющийся от вас по поверхности воды, то вам наверняка известно, что это не просто, — пишут исследователи. — В некоторых случаях движения руками, которые должны привлечь этот объект к вам, оказывают совершенно противоположное действие — предмет начинает отдаляться. Но почему так происходит?» Попытавшись разобраться в этом, исследователи обнаружили, что для того, чтобы заставить объект перемещаться по поверхности воды строго в заданном направлении, необходимо создать волны определенного вида.

В своих экспериментах ученые использовали шарики для настольного тенниса и предметы другой формы, плавающие на поверхности воды в резервуаре, снабженном генераторами волн. Задавая амплитуду, частоту и направление волн, ученые могли остановить мячик на месте, отодвинуть его от генератора или даже заставить его двигаться в направлении, противоположном направлению распространения волн. При этом как-то неожиданно выяснилось, что до сих пор нет математических описаний процессов, заставляющих объекты передвигаться по поверхности воды в отсутствие ветра. Пришлось исследователям поместить в воду множество частичек, подобных чаинкам. С их помощью и удалось выяснить, что колебания волн производят перемещения верхних слоев воды в определенном направлении.

«Мы выяснили, что волны на воде, которые имеют достаточно сложную трехмерную форму и высота которых превышает определенный порог, производят что-то наподобие течений в верхних слоях воды, — пояснил профессор Майкл Шэтс. — Мы назвали это течение «водяным силовым лучом» и выяснили, что он, тянущий объект в сторону источника волн, является лишь частным случаем поверхностных течений. В более сложных случаях эти течения могут иметь сложную форму вплоть до вихрей».

По словам руководителя проекта доктора Горста Пунцмана, исследователи были весьма удивлены тем, что явление, которое достаточно легко воспроизводится в любой ванне, никто раньше не изучил и не описал математически. «Ведь именно им можно описать некоторые наблюдаемые людьми феномены, к примеру, когда лодку или пловца относит от берега, несмотря на то что ветер и волны движутся совсем в другую сторону», — подчеркнул Пунцман.

В том же направлении работает и ведущий научный сотрудник Лаборатории фундаментальных основ передачи информации ИППИ РАН Григорий Фалькович. Вместе со своими коллегами из Израиля и Австралии он научился управлять волнами и передвигать посредством них предметы. По словам Фальковича, «главный вывод работы в том, что, возбуждая волны разных форм и амплитуд, можно эффективно создавать течения на поверхности воды и управлять этими течениями. В частности, нам удавалось создавать вихри и потоки и менять направления их течения путем небольших изменений единственного параметра — амплитуды возбуждаемой волны». Он добавил, что метод возбуждения сравнительно прост — это вертикально колеблющиеся тела разной формы.

По-настоящему трудная часть работы — это разработка новых методов визуализации течения на поверхности, ставшая возможной благодаря работе австралийских экспериментаторов. В то же время роль Фальковича заключалась в обсуждении идейной и качественной стороны работы и описании результатов.

«Пока что мы умеем гонять шарик от пинг-понга туда-обратно. Если дать волю фантазии, то, вполне вероятно, результаты этих исследований смогут стать основой новых технологий сбора разлившейся по воде нефти, мусора, притягивания дрейфующего судна или пловца, попавшего в невидимое подводное течение, или даже захвата малых судов, например, катеров с сомалийскими пиратами», — сказал Фалькович.

В настоящее время ученые работают над более детальным изучением обнаруженного ими явления. Ну, а мы с вами можем провести свою собственную серию исследований, использовав домашнюю ванну или даже обычный тазик с водой.

Начнем с самого простого. Обратите внимание: при заполнении ванны струя воды, пущенная потихоньку из крана, стекает по стенке ванны практически беззвучно. А вот если усилить напор, то струя начинает закручиваться, журчать и падает в уже налившийся слой воды на дне ванны с характерным шумом. Почему так происходит?

Оказывается, перед нами наглядная иллюстрация одного из основных законов гидродинамики. Когда струя бежит неспешно, для нее характерно спокойное, ламинарное обтекание поверхностей. Но стоит усилить, ускорить поток, как он превращается в турбулентный, почти сплошь состоящий из вихрей. Это явление доставляет немало хлопот корабельщикам, поскольку резко усиливает сопротивление корпуса корабля водному потоку, требует дополнительных расходов энергии. Чтобы победить турбулентность, носу корабля придается характерная форма. Причем если раньше форштевень старались сделать острым, словно нож, то ныне на нос корабля помещают некую «бульбу» — утолщение, которое лучше сглаживает поток, делает его менее турбулентным.

В том, что сопротивление воды зависит от формы перемещающегося в ней предмета, можно убедиться при помощи такого опыта. Если вы возьмете в руки игрушечный кораблик и начнете продвигать его рукой по воде, то обнаружите, что он движется довольно легко. А вот если взять в руку плоскую деревянную дощечку или кусок пластика и попробовать двигать, развернув предмет перпендикулярно потоку, то сопротивление воды заметно возрастет.

Более того, загребая воду дощечкой, словно веслом, вы обнаружите, что по воде пошли волны. Попробуйте проследить, от чего зависят их величина и скорость.

Итак, вы заметили, что величина и скорость волн во многом зависят от того, насколько сильно и быстро вы загребаете воду дощечкой. А кроме того, скорость распространения волны вдоль поверхности воды зависит и от глубины налитого в ванну слоя воды, уверяют исследователи. В самом деле, при небольшой глубине распространение волны должно тормозиться вследствие трения воды о дно ванны.

Еще один факт, который вы можете подтвердить экспериментально, состоит в следующем. Если пластинку, которой загребаете воду, изогнуть, то плоская волна при этом изменит форму фронта и тоже превратится в изогнутую. Наткнувшись на край ванны, пущенная вами волна отражается и начинает двигаться в обратную сторону. Если вы запустите навстречу ей еще одну волну, то увидите, как встречные волны пройдут друг сквозь друга, продемонстрировав явление интерференции.

А что будет, если на край ванны вы положите тряпку с таким расчетом, чтобы пущенная вами волна наткнулась на нее? Возрастет ли ее амплитуда или уменьшится? Подумайте, почему так получается?..

Вообще-то получать волны можно разными способами. Механические волны в морях, океанах и прочих водоемах вызывают движущиеся корабли, раздвигая воду своими корпусами. А вот ветры действуют иначе.

Равномерно подуйте, направив струю воздуха под небольшим углом на поверхность воды. Вы увидите, как в том месте, куда вы дуете, появятся волны. Так же они возникают и в океане под воздействием ветра.

Более того, если вы будете равномерно дуть, так чтобы струя воздуха была направлена от середины длинной стороны ванны через все пространство водной глади к противоположной стороне, то увидите, как поверхность вашего «моря» придет в движение. Некоторые исследователи полагают, что именно так, под действием постоянно дующих ветров — пассатов, начинают свое движение океанические течения.

А теперь бросьте в воду щепку или мячик. Посмотрите, как от места падения предмета кругами расходятся волны. Интересная деталь: предмет, который вызвал это волнение, остается на месте. Почему? Да потому, что таким образом мы с вами возбудили так называемую стоячую волну, которая вызывает перемещение частиц воды лишь в вертикальном направлении. В физике такие волны еще называют поперечными.

PS. Поскольку ныне во многих домах стоят счетчики и воду приходится экономить, не стремитесь наполнить ванну доверху.