Физики экспериментально доказали, что симметрия волн на воде может нарушаться при определенных условиях — ранее возможность этого была показана лишь теоретически. Благодаря этому, в частности, можно создавать корабельные волны, не похожие на обычный след от судна, а также превращать расходящиеся круги от упавшего в воду тела в овалы. Оказывается, для этого необходимо создать сдвиговое течение, пишут авторы в Journal of Fluid Mechanics.
Когда лодка движется по спокойной поверхности воды, то за ней появляется V-образный след из кильватерных волн, симметричных относительно направления перемещения. Долгое время считалось, что, помимо случая мелкой воды, этот след должен всегда образовывать угол около 39 градусов — этот результат получил лорд Кельвин в XIX веке. В частности, это свойство не должно зависеть от размера судна: каноэ и супертанкер порождают волны одинаковой геометрии. Другим хорошо известным примером поверхностных волн являются круги на воде от брошенного камня. В обычной ситуации они всегда концентрические, то есть симметричны относительно точки падения тела.
Однако ближе к концу XX века появились теоретические результаты, которые утверждали о взаимосвязи поверхностных волн и потоков жидкости. Такая ситуация отнюдь не редка и возникающие эффекты необходимо учитывать при расчете нагрузки на корпусы судов и морских конструкций, при расчете распространения питательных и загрязняющих веществ, в особенности вблизи дельт рек, что исключительно важно в контексте изучения климата, но лишь относительно недавно такие расчеты стали включаться в численные модели.
В 2014 году Симен Эллингсен (Simen Ellingsen) из Норвежского университета естественных и технических наук в Тронхейме теоретически описал влияние сильного сдвигового течения на поверхностные волны. Такое течение характеризуется тем, что параллельные поверхности скорости элементов жидкости отличаются в зависимости от глубины. В частности, из его работы следовало, что известный результат Кельвина справедлив не всегда — угол между волнами позади корабля может отличаться от 39 градусов, а круги от брошенного камня можно исказить и сделать не концентрическими.
Ярким примером важности сдвиговых течений является дельта североамериканской реки Колумбия, иногда даже называемая «Кладбищем Тихого океана» из-за большого количества кораблекрушений. В этой области крутизну опрокидывающихся волн нельзя предсказать точнее 20 процентов, если игнорировать сдвиговое течение. Также в этом регионе связанное с волнами сопротивление для небольших судов, обычно отвечающее примерно за треть расхода топлива, оказалось отличающимся до трех и более раз между различными направлениями движения.
В новой работе под руководством Эллингсена предсказания его теоретической статьи впервые воспроизвели в режиме контролируемого эксперимента. Опыты заключались в создании высокого вертикального градиента горизонтальной скорости в небольшом бассейне и записи получающихся узоров из волн.
В результате авторам удалось доказать теоретические выводы, то есть получить несимметричные кильватерные волны, корабельные следы с отличным от 39 градусов углом, искаженные и неконцентрические «круги» от точечного возмущения поверхности. Также оказалась заметна разница в волновом узоре в зависимости от взаимной ориентации скорости движения судна и подповерхностного течения. Ученые отмечают, что полученные результаты могут пригодиться не только в судоходстве, но и при моделировании движения ураганов и оценках связанных с ними рисков.
Ранее физики научились перемещать тяжелые бусинки с помощью вибрирующей поверхности и использовать звуковые волны для нанесения на шоколад узора из микрокапель меда. Также ученые нашли необычный пример озера, волны на котором оказались причиной микроземлетрясений.
Тимур Кешелава
Им удалось добиться этого, понизив энергетический порог регистрации гамма-квантов