Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
Например, в декабре 2006 года огромная волна цунами ударила по острову Шри-Ланка. Погибло 30 тысяч человек. И при этом практически никто из диких зверей не погиб. Представляете себе – на десятки тысяч человеческих трупов ни одного трупа животного! Спаслись и крупные звери – такие как слоны, леопарды, – и мелкие, типа кроликов и сусликов. Звери, которые во много раз более чувствительны к предупреждающему инфразвуку, почувствовали угрозу заранее и ушли от берега подальше и повыше. Если бы люди последовали за ними, никто бы не пострадал.
Обезьяны убежали в джунгли за несколько часов до удара стихии, слоны оборвали цепи, которыми были привязаны за ноги к колышкам, и ушли на холмы. Японские туристы, которые приехали на остров, чтобы понаблюдать за животными, поехали на автобусе за слонами, поднимающимися вверх, и если бы они остались там, то уцелели бы. Но, полюбовавшись на слоников, они спустились вниз в гостиницу на завтрак – и погибли, попав под удар волны.
То же самое цунами, которое ударило по Шри-Ланке, добило и до острова Пхукет. Там произошла замечательная история. Ручные слоны катали туристов и вдруг ни с того ни с сего побежали от берега в джунгли. Поскольку на одном из слонов была катающаяся девочка, погонщики с криками помчались за слонами. Слоны, однако, и не думали их слушаться, они остановились только забежав на холм. И только потому спаслись вместе с девочкой и погонщиками.
В общем, цунами доставляет людям, живущим на океанском побережье, немало неприятностей. Но про цунами давно всем известно, в развитых странах существует служба предупреждения о цунами. Однако, помимо цунами и обычных штормовых волн, существует еще одно странное явление, которое долгое время наукой отрицалось. Это одиночные волны-убийцы.
Среди моряков давно ходили легенды о том, что порою в океане в относительно спокойном море корабль вдруг настигает неведомо откуда взявшаяся огромная одиночная волна, переворачивает судно и так же быстро уходит. Ученые долгое время считали эти слухи обычными байками: у них по теории волн свыше 20 метров в открытом океане быть никак не могло. И почему они одиночные? Откуда они берутся, если ветра нет и подводного землетрясения тоже не было? Не может такого быть!
Однако 1 января 1995 года норвежскую нефтяную платформу, которая спокойно себе добывала нефть из дна морского, разбила гигантская волна. Ее официально зафиксированная высота оказалась более 25 метров. Это были уже реальные убытки, от которых, как от слухов не отмахнешься. И поэтому была принята целая программа по поиску и исследованию таких необычных волн. Для их поиска по всей планете подключили систему спутников Европейского космического агентства и меньше чем за месяц зафиксировали на планете в разных ее местах больше десятка гигантских волн высотой свыше 25 метров!
Хочу еще раз подчеркнуть – это были не цунами, поскольку их появление никак не связано с землетрясениями и подводными извержениями вулканов. Эти волны-убийцы беспричинно возникают словно бы из ниоткуда и уходят в никуда. Причем одна такая суперволна может с мачтами накрыть огромный нефтеналивной танкер, сухогруз или контейнеровоз прямо в открытом океане. А мы знаем, что цунами в открытом океане кораблем даже не замечается!
В 1980 году неподалеку от Южной Африки гигантская волна нагнала сзади нефтеналивной танкер «Эссо Лангедок» и прокатилась на нему, накрыв даже радиомачты. Когда она схлынула, помощник капитана, находившийся в рубке, даже успел сфотографировать ее.
Бывали такие случаи и ранее. Например, в 1973 году 300-метровый танкер «Свиленд» держал курс, борясь с 12-метровыми волнами во время шторма. Это в принципе большие волны! Но учитывая, что высота танкера была 30 метров, он с ними справлялся шутя. И вдруг прямо по курсу возникла гигантская волна, перед которой зиял огромный провал. В который судно и ухнуло. Гигантская волна ударила в танкер, перекатилась через него, травмировав нескольких матросов, и ушла.
А вот как описывает свою встречу с аномальной волной офицер британского военного корабля: «Крейсер шел быстро и почти без качки, встречая умеренную зыбь и ветровые волны, когда внезапно мы провалились в яму и понеслись вниз навстречу следующей волне, которая прокатилась через первые орудийные башни и обрушилась на наш открытый капитанский мостик. Я был сбит с ног и на высоте 10 метров над уровнем моря оказался в полуметровом слое воды. Корабль испытал такой удар, что многие решили, что нас торпедировали, и заняли места по боевой тревоге. Капитан сразу же уменьшил ход, но эта предосторожность оказалась напрасной, так как умеренные условия плавания восстановились и больше «ям» не попадалось».
Крейсеру повезло. Но так везет не всем. У берегов Японии похожая волна ударила в английский сухогруз «Дербишир», пробила грузовой люк и хлынула в трюм. Огромный корабль длиной в 300 метров, которому, казалось бы, ничего не страшно, затонул, унеся с собой на дно почти полсотни человек.
А вот как погиб нефтеналивной танкер «Всемирная слава». Получив штормовое предупреждение, корабль сбавил ход и держался носом к волне, прекрасно справляясь с ситуацией. Однако в какой-то момент невесть откуда возникла огромная 20-метровая волна, взобравшись на которую, танкер вывесил нос и корму, которые оказались на какой-то момент в воздухе, не будучи удерживаемые водой. И корабль просто переломился пополам, разлив всю нефть. Какое-то время его половинки еще сохраняли плавучесть, но потом затонули.
Не повезло и судну «Нептун Сапфир», которому удар огромной волны оторвал нос – переднюю часть корабля длиной с 20-этажный дом просто отломило.
Считается, что именно волны-убийцы стали за последнюю четверть века причинами гибели более двух сотен кораблей,причем десятая часть из них – это гигантские супертанкеры, которые считались непотопляемыми.
В теории самый сильный ветер при самых благоприятных условиях не сможет нагнать волну выше 20 метров в высоту. Откуда же берутся волны высотой в 30 метров, если теория их запрещает? Значит, они результат не ветрового нагона. И не результат землетрясения. А чего тогда?
Ведут себя эти волны странно. Иногда такая волна-убийца вдруг нежданно возникает в полном одиночестве, а затем пропадает без следа. А иногда такие волны возникают целой серией и бегут по океану, преодолевая сотни километров.
Возможно, эти суперволны – результат сложения, суммирования волн поменьше, предположили ученые. Так оно в итоге и оказалось: волны-убийцы – порождение наложения разных волн друг на друга.
? А что, разве волны умеют складываться?Да, мои маленькие и крупные друзья, волны умеют складываться! И это очень и очень интересное дело. Интересное как на практике, так и в виде отвлеченных рассуждений.
Вот смотрите… Физика изучает взаимодействие всяких физических тел. К телам мы привычные, мы и сами – тела на ножках. Все физические тела сделаны из вещества. Мы теперь знаем, как оно устроено на разных уровнях: три элементарные частицы – атомы – молекулы. Кроме вещества, в этом мире существует еще некое неосязаемое и невидимое поле, как мы выяснили. Вещество и поле называют громким словом «материя». Физики изучают свойства материи. И вот теперь выясняется, что физики изучают еще и волны.
А что такое волны? Это и не вещество и не загадочное поле. Волна – это чистое движение. Процесс! Процесс колебания частиц среды, в которой распространяются волны. При этом сами свойства среды физиков, изучающих волны, не особо интересуют. Это может их заинтересовать только если указанные свойства среды влияют на распространение волн в ней. А так физиков-волновиков интересуют только свойства самих волн – как таковых. Им интересно, как волны преломляются, как они огибают препятствия, как складываются друг с другом или гасят друг друга.
Выясняется, что вне зависимости от того, какое именно вещество колеблется, то есть по какой именно среде передаются волны, у всех волн, как у физического процесса, наблюдаются одни и те же свойства.
Самыми известными из этих свойств являются дифракция и интерференция.
Эти многомудрые слова не должны вас пугать. Напротив, принятие вами на вооружение новых научных слов делает вас сильнее, круче и богаче на голову.
Что такое дифракция? Это способность волн огибать препятствия или проходить сквозь щели. И не спрашивайте меня, каких волн – водяных или воздушных. Любых! Потому что волновая физика изучает свойства процесса распространения волн, а не свойства среды, по которой они бегут. Общие свойства волн от среды не зависят.
Посмотрите внимательно на два рисунка ниже. Слева на стенку набегает сплошной волновой фронт. В стенке дырка. Как вы думаете, каким образом после дырки будет распространяться волна – как нарисовано на первом рисунке или как на втором?
Слева набегают волны. Какой характер будет носить их распространение после отверстия в стенке – как на первой картинке или как на второй?
