Волны

Волны. Если мы бросим камешек в воду, то увидим образование круговых волн, которые с равномерной скоростью распространяются во все стороны от центра, т. е. от того места, куда попал камень. Эти волны состоят из углублений и возвышений, которые, чередуясь, довольно быстро следуют друг за другом, распространяясь от центра. В этом поступательном движении углублений и возвышений не принимают участия сами водяные частицы: это видно из того, что деревяшка, плавающая на поверхности воды, только поднимается и опускается, по мере того как пробегают под ней волновые углубления и возвышения. Силой, поддерживающей распространение таких волн, является сила тяжести. Как скоро вследствие какой бы то ни было причины на горизонтальной поверхности воды появилось углубление или возвышение, сила тяжести отдельных водяных частиц стремится восстановить горизонтальность уровня воды; возникает движение колебательное (см.), передающееся от частицы к частице. Если форма распространяющихся волн является установившейся, то каждая частица водной поверхности описывает во время этого распространения некоторую замкнутую кривую линию, которая в частном случае может быть окружностью. Волны  на поверхности рек, озер, морей и океанов обыкновенно происходит вследствие давления ветра, иногда - вследствие землетрясений, происходящих у берегов. С волнами на поверхности жидкости имеют большое сходство волны, которые могут быть получены на слабо натянутой веревке. Для этого длинную веревку (или каучуковую трубку) укрепляют на одном конце, а другой конец держат в руке так, чтобы веревка была не слишком сильно выгнута; быстро встряхивая этот конец, можно возбудить на веревке одну или несколько волн, которые пройдут до укрепленного конца, отразятся здесь, пойдут обратно и т. д. Если встряхивание повторяется с равномерной силой и частотой, то можно получить на веревке т. н. стоячие волны: веревка поделится на равные участки, причем концы каждого участка будут оставаться неподвижными, а все промежуточные частицы будут колебаться вверх и вниз. Волны  обоих описанных видов суть т. н. поперечных волн: они характеризуются тем, что движение отдельных материальных частиц происходит здесь по направлению, перпендикулярному к направлению распространения волн. Если же материальные частицы в колебательном движении перемещаются по тому же самому направлению, по какому происходит  распространение этого колебательного движения, то мы имеем дело с продольными волнами. Здесь распространяются и следуют, чередуясь, друг за другом не области, соответствующие уклонению частиц в ту или другую сторону от некоторого уровня (как углубления и возвышения на воде, на веревке), но попеременные сгущения и разрежения материальных частиц. Это явление можно наблюдать с помощью упругой металлической спирали, подвешенной горизонтально на нитях: если одному из концов спирали сообщить толчок по горизонтальному направлению, то получим продольную волну, пробегающую по всей длине спирали и отражающуюся от другого конца. К продольным волнам относятся также звуковые волны в газообразной среде. Возможны и продольные стоячие волны.  Ср. звук, свет и электричество.

Волны на поверхности морей и озер. Когда частица волнующейся водной поверхности достигла наивысшего положения, то она, как выражаются, находится на гребне волны. Если, напротив, она занимает самое низкое положение, то мы скажем, что она в долине. Расстояние между двумя смежными гребнями (или двумя долинами) называется длиной волны; оно вдвое больше расстояния от гребня до долины. Разность уровней, на которых находятся гребень и долина, или вертикальное расстояние от гребня до долины, называется высотой волны. Характер волн меняется в зависимости от глубины воды. Если вода мелка, то путь, описываемый каждой частицей водной поверхности, представляет сильно вытянутый эллипс, у которого большая ось горизонтальна и относится к малой оси (вертикальной), как длина волны к глубине водного бассейна. Период колебания, т. е. то время, в течение которого частица воды описывает свой эллипс, прямо пропорционален длине волны; скорость распространения волн в этом случае одна и та же для всяких волн и зависит от глубины воды. Напротив, на глубокой воде путь водной частицы представляет собой приблизительно окружность; время колебания прямо пропорционально квадратному корню из длины волны; скорость распространения волн находится в такой же зависимости от длины волны, как и время колебания. Частицы, лежащие глубже поверхности воды, колеблются при мелкой воде по эллипсам, которые тем более вытянуты, чем ближе частица ко дну бассейна; на глубокой воде они движутся по окружностям, радиус которых убывает с глубиной. Время колебания и скорость распространения волны одинаковы для частиц, лежащих на поверхности воды, и для частиц, лежащих ниже этой поверхности. Как скорость распространения волн, так и размеры их (длина и высота) увеличиваются с увеличением силы и продолжительности ветра. Средняя высота океанских волн составляет 3 метра; наибольшая высота по Аберкромби - 14 метров. Во внутренних морях высота волн значительно менее: так, в Средиземном море наибольшая высота составляет приблизительно 5 метров. Длина волн по Парису в среднем в 33 раза превышает их высоту; таким образом, за среднюю длину океанской волны можно принять 100 метров. Изредка встречаются волны в несколько сот метров длиной (Дж. Кл. Росс наблюдал волны в 580 м, французский адмирал Мотте - даже в 825 м). Скорость распространения волн v во всех случаях выражается формулой:

v=λ/T,

где λ - длина волны,

Т - период колебания;

при этом на глубокой воде Т = 0,8 √λ (если Т - в секундах, а λ - в метрах); отсюда v = 1,56 Т. В среднем v = 13 м/сек, Т=7 ½  сек. Максимальное значение скорости распространения v (у самых длинных волн) составляет около 24 метров в секунду. Может случиться, что особенно длинные волны будут распространяться быстрее, чем вызвавшая их буря; тогда, они могут служить предвестием надвигающейся бури. У волн, произведенных землетрясением, все величины бывают много больше указанных значений; так, землетрясение, происшедшее в Шимоде (Япония) в декабре 1854 г., вызвало волны в 390 км  длиной. Для таких длинных волн  океан является сравнительно мелководным бассейном (потому что в этом случае глубина океана является малой величиной по сравнению с длиной волны); таким образом, для этих чрезвычайно длинных волн скорость распространения - одна и та же, независимо от различия в их длине; зато она, как сказано, зависит от глубины воды. Для указанного выше землетрясения в Шимоде скорость волн составляла 184,5 метра в секунду. Извержение Кракатоа вызвало волну, распространявшуюся с скоростью 192 метра в секунду; на соседних берегах Суматры и Явы высота этой волны составляла 20-25 метров, в Батавии 1,83 метра, на острове Маврикия 0,5 м, у мыса Горна около 0,1 м. На сравнительно небольших водных бассейнах (как озера) могут образоваться, благодаря отражению от берегов, стоячие волны (см. выше). При этом вода остается в покое на некоторых местах своей поверхности: это - так называемые узлы или узловые линии; посредине между двумя узловыми линиями, в так называемых пучностях, колебание, наоборот, достигает наибольшей величины. Подобно тому, как звучащее тело (струна, камертон, воздух в органной трубе) дает стоячие волны определенной длины, зависящей от размеров тела, так и стоячие волны на поверхности известного озера могут иметь лишь несколько определенных периодов колебания. Из явлений этого рода всего обстоятельнее были изучены (Форелем) стоячие волны (местное название - сейши) на Женевском озере. Так, например, у Женевы вода медленно поднимается на несколько сантиметров или дециметров в течение 17 или 36 минут; затем в течение такого же промежутка времени медленно опускается, потом опять поднимается и т. д. Особенно высокие стоячие волны (до 1 ½  метра) наблюдал Соссюр.

А. Бачинский.