Нельзя оседлать волну, если ее гребень настолько пенистый, что возникает турбулентность. Если турбулентность возникает одновременно вдоль всей длины волны, серфингисту ничего не остается, как ждать следующей волны. Однако если волна накатывает на берег под определенным углом, турбулентность возникает на одном из ее концов, а затем движется вдоль волны (говорят, что волна ломается). Серфингист пытается оседлать такую волну непосредственно перед турбулентностью, в том месте, где волна загибается. Если волна ломается слишком быстро, турбулентность догоняет серфингиста и катание на волне заканчивается.

Вероятно, самое неизгладимое впечатление производит серфинг на волнах с трубами, так называемый пайплайн, когда гребень очень высокой волны опрокидывается, ударяет в ее основание и между падающим гребнем и остальной поверхностью волны образуется тоннель. Если до образования трубы опытному серфингисту удалось оседлать волну на ее передней поверхности, он вполне может прокатиться внутри трубы.

Часто морские свиньи и дельфины сопровождают лодки и корабли, бесшумно двигаясь неподалеку от судна примерно в метре от поверхности воды. Они могут высовываться, переворачиваться с боку на бок и даже вращаться вокруг собственной оси. Но создается впечатление, что они не сами плывут, а какая-то сила удерживает их рядом с кораблем, словно они к нему привязаны. Что же заставляет этих животных двигаться так часами?

ОТВЕТ • В этом случае основная движущая сила — волны, распространяющиеся от носа судна (или иногда от его кормы). Морская свинья или дельфин располагаются перед волной не слишком глубоко под (наклоненной) поверхностью. Когда нос разрезает воду, заставляя ее двигаться вперед, вверх и вбок, вода толкает животное вперед. Если морские свиньи или дельфины хотят просто прокатиться на волне, а не играть, выпрыгивая и переворачиваясь, они выбирают глубину так, чтобы направленная вперед сила уравновешивала сопротивление воды. Иногда этим животным удается прокатиться на дармовщину, даже если расходящиеся от носа корабля волны настолько малы, что пассажиры корабля могут и не заметить их.

Вблизи пластинки, колеблющейся вертикально или горизонтально в воде, может возникнуть любопытная волновая картинка: стоячие волны с гребнями, сильно смахивающими на зубья расчески, расположены перпендикулярно пластинке (рис. 2.23). Они отличаются от обычных волн, распространяющихся от колеблющейся пластинки, гребни которых параллельны пластинке. Такие необычные волны называются краевыми, или поперечными, волнами. Майкл Фарадей открыл их 1 июля 1831 года. Он описал их в своем дневнике, где очень подробно записывал данные научных наблюдений. Чтобы образовались краевые волны, надо правильно подобрать глубину, на которую погружается лопатка, колебания должны быть равномерными, и тогда на возбуждение краевых волн потребуется примерно минута.

Рис. 2.23 / Задача 2.71. Краевые волны, перпендикулярные горизонтально колеблющейся пластинке.

Краевые волны можно наблюдать и в наполненном до краев (или почти до краев) бокале с вином. Проведите несколько раз по краю бокала чистым сухим пальцем. Если вам повезет, вы обнаружите, что трение тоже может возбуждать перпендикулярные кромке бокала краевые волны. Они могут быть настолько сильными, что брызги вина взлетят в воздух. Почему трение возбуждает краевые волны?

ОТВЕТ • Нормальные, или собственные, волны, вызываемые колебаниями пластинки в воде, — это капиллярные волны, амплитуда и частота которых определяется не силой тяжести, а поверхностным натяжением. Эти волны, фактически рябь на поверхности воды, не надо путать с существенно более сильными гравитационными волнами. При определенных условиях колебания пластинки приводят к образованию стоячей волны вдоль пластинки. Отличительная черта таких волн — их частота равна половине частоты колебаний пластинки.

На замедленной съемке видно, что, когда пластинка начинает колебаться в горизонтальном направлении, события развиваются так: всякий раз, когда пластинка движется вперед, вдоль всей ее ширины образуется бугорок, а когда пластинка отходит назад, за ней остается углубление. Образовавшиеся бугорки и углубления двигаются в направлении от пластинки как обычные капиллярные волны.

Когда пройдет примерно минута после начала колебаний, видно, что при каждом движении пластинки вперед поверх бугорков капиллярных волн поднимается ряд перпендикулярных поверхности пластинки гребней. Однако имеется два набора гребней. Когда пластинка движется вперед, образуется один набор гребней, при следующем колебании вперед — следующий набор и так далее. Гребни из одного набора образуются посередине между гребнями другого набора. Следовательно, частота, с которой появляется каждый из таких наборов, равна половине частоты колебаний пластинки.

Если потереть край бокала с вином, можно добиться того, что его кромка начнет колебаться наподобие колокола — можно услышать, как бокал «поет». Кромка бокала — круг, при колебаниях превращающийся в эллипс или более сложную фигуру, поэтому, колеблясь, она движется либо к центру бокала, либо от него. На рис. 3.4 (глава 3) запечатлен момент, когда палец проходит через точку, соответствующую 12:00 часам на циферблате. Максимальные смещения соответствуют положениям стрелок в 3:00, 6:00 и 9:00, а посередине смещений нет. При движении пальца за ним следует конфигурация распределения смещений. Кромка бокала играет роль колеблющейся пластинки, приводя к образованию системы краевых волн.

Краевые волны можно возбудить и в наполненных водой бронзовых китайских поющих чашах[42]. Однако следует тереть их ручки, а не край. Если это делать правильно, краевые волны могут поднимать воду вверх на расстояние до полуметра.

Если жидкость колеблется вертикально, в тонком слое воды и глицерине можно получить не только краевые волны, но и более сложные волновые картины (включая красивые системы полос, шестиугольников и кругов).

[43]

Что приводит к образованию пляжевых фестонов, которые мы привыкли видеть на многих пляжах?

ОТВЕТ • С точки зрения математики, волны, ответственные за образование пляжевых фестонов, сходны с краевыми волнами, рассмотренными в предыдущей задаче. Однако поскольку математика здесь сложная, ограничимся простым их описанием. Набегающая на берег волна по форме близка к синусоиде (рис. 2.24). В те места на берегу, куда волна продвинулась дальше всего, она выносит песок, образуя выступ из мокрого песка. Вода отступает, перетекая через центр выступа, а затем стекает вниз вдоль образовавшейся в песке впадины, напоминающей корыто. Этот обратный поток мешает следующей волне. Она не повторяет путь предшествующей волны, а обтекает с двух сторон образовавшийся выступ там, где первая волна меньше всего продвинулась вглубь берега. Вода опять приносит песок и отступает вдоль вырытой ею по центру впадине. Снова обратный поток препятствует подъему следующей набегающей волны вверх по тому же выступу. Таким образом, благодаря попеременному накату воды на соседние песчаные выступы на пляже формируется береговая линия.