Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Волны бывают разных типов, но некоторые базовые принципы относятся к ним всем. У звуковых волн, издаваемых дельфином, волн на поверхности воды от брошенного камушка и световых волн, исходящих от далекой звезды, много общего. В наши дни человек не только реагирует на волны, посылаемые ему природой. Мы также вносим свой, подчас очень сложный вклад в столпотворение волн вокруг нас, и он соединяет множество элементов нашей цивилизации, разбросанных по планете. Но современным людям, осознанно использующим волны для укрепления культурных связей, не принадлежит пальма первенства. Эта история началась несколько столетий тому назад посреди гигантского океана.

Король, скользящий по волнам на доске, – картина по современным меркам более чем странная. Но 250 лет тому назад на Гавайях у каждого короля, королевы, правителя и правительницы была собственная доска для серфинга, а мастерство катания на ней составляло предмет особой гордости царствующих персон. Для гавайской элиты изготавливались специальные длинные узкие доски «Оло», тогда как простые смертные довольствовались более короткими и маневренными «Алайя». Соревнования были центральным сюжетом многих гавайских историй и легенд[49]. Когда вся ваша жизнь протекает на тропическом острове с восхитительной природой, окруженном глубоким синим океаном, формирование культуры на основе всего, что связано с морем, представляется вполне естественным. Но гавайским первопроходцам серфинга повезло больше, чем жителям других тихоокеанских островов: волны, образующиеся возле Гавайских островов, были «правильными», то есть как нельзя лучше подходили для катания на доске. Эта небольшая островная нация, обитающая посреди безбрежного океана, волею судеб обрела идеальное местоположение. География и физика Гавайских островов отфильтровала все океанские сложности, а короли и королевы скользили по результатам этой фильтрации.

В то время как в безветренные дни гавайцы возносили молитвы своим богам, упрашивая их поднять океанские волны до высоты, пригодной для полноценного серфинга, за тысячи километров от этих мест океан мог выглядеть совершенно иначе. Ветры могучих штормов обрушивались на его поверхность и передавали свою энергию воде, на которой образовывались высокие волны. Но волны, порождаемые штормами, это беспорядочная смесь коротких и длинных волн, движущихся в разных направлениях, сталкивающихся друг с другом, разбивающихся и перестраивающихся. Зимние штормы регулярно свирепствуют на широте примерно 45°, поэтому они возникают либо к северу от Гавайских островов, когда зима наступает в Северном полушарии, либо к югу от Гавайских островов, когда зима наступает в Южном полушарии. Но волны должны куда-то двигаться. Когда ураганные ветры обрушиваются на океанскую поверхность, участок океана, охваченный сильным волнением, расширяет свои границы за пределы урагана – в места, куда не достает шторм. И здесь может начаться сортировка: проявляется истинная природа нагромождения волн, на первый взгляд кажущегося беспорядочным. На самом деле это вовсе не хаос, а совокупность волн разного типа, смешанных друг с другом. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие, поэтому и уходят быстрее, существенно опережая своих меньших собратьев. Но в процессе движения волне приходится кое-что терять. Она постепенно отдает энергию своему окружению, причем ее количество в расчете на каждую милю пройденного пути больше у коротких волн. Следовательно, короткие волны не только уступают в скорости длинным, но и теряют больше энергии. Так что неудивительно, что им требуется не так уж много времени, чтобы полностью исчезнуть. За тысячи километров от центра шторма спустя несколько дней движутся лишь самые длинные волны с гладкими регулярными гребнями, распространяясь концентрическими окружностями по всей планете.

Таким образом, первое преимущество Гавайев – в достаточном удалении от мест, где регулярно штормит, поэтому островитяне наблюдают лишь последствия ураганов в виде остаточных гладких, аккуратных длинных волн. Второе преимущество – Тихий океан очень глубокий, а вулканические края Гавайских островов непомерно крутые. Волны перемещаются по поверхности океана, практически не встречая препятствий на своем пути, и внезапно наталкиваются на крутые склоны. При этом вся энергия, которая была рассредоточена по огромной глубине, становится более концентрированной на мелководье, в результате чего высота волн увеличивается. Стоя на берегу, гавайцы ждут последнего вздоха этих медлительных монстров. Перед тем как выкатиться на идеальный песчаный пляж, волны становятся очень крутыми, что и требуется королям и королевам, вооружившимся своими длинными узкими досками «Оло».

Водяные волны – пожалуй, первые, с которыми сталкивается большинство людей на протяжении жизни. То, на чем покачивается утка, представить и понять не так уж сложно. И хотя волны бывают разных типов, к ним ко всем применимы одни и те же физические принципы. Все волны характеризуются той или иной длиной, то есть расстоянием между гребнями соседних волн. Поскольку волны движутся, всем им также свойственна определенная частота, а именно сколько раз в секунду они проходят полный цикл (от гребня до впадины и обратно до гребня). Кроме того, все волны имеют определенную скорость, но некоторые (например, водяные волны) движутся с разными скоростями, зависящими от длины волны. Проблема с большинством волн заключается в том, что мы не видим, что именно их создает. Звуковые волны движутся в воздухе и представляют собой компрессионные волны: вместо формы, перемещающейся в пространстве, происходит передача давления. Труднее всего вообразить световые волны, которые движутся через электрические и магнитные поля. Но несмотря на то что мы не способны видеть электричество, мы можем наблюдать эффекты, порождаемые волновой природой света[50].

Одна из главных причин, почему волны интересны и полезны, заключается в том, что среда, через которую они проходят, зачастую изменяет их. К тому моменту, когда мы сможем увидеть, услышать или иным способом обнаружить волну, она становится кладезем бесценной информации, поскольку несет на себе отпечаток среды, сквозь которую проходила. Но этот отпечаток формируется относительно простыми способами. Есть три основные вещи, которые могут произойти с волной в процессе прохождения той или иной среды: волна может отразиться, или преломиться, или поглотиться.