Трехмерные волны воссоздали в круглом бассейне

Группа физиков пронаблюдала разрушение волн в круглом бассейне. При проведении эксперимента они использовали не двумерную модель, как в большинстве предыдущих работ, а считали волны трехмерными объектами. В итоге ученые установили для них три главных сценария разрушения. О результатах исследования физики написали в журнале Nature.

Процесс разрушения океанических волн важен для исследователей при прогнозировании таких опасных явлений, как например, волны-убийцы. Однако процесс этот изучен все еще недостаточно хорошо. С экспериментом у физиков проблем нет: волны разных типов научились воспроизводить в лабораторных условиях. А вот с теоретической точки зрения задача моделирования волн, для которой требуется численное решение уравнений Навье — Стокса, остается трудноразрешимой.

При этом в основе подавляющего большинства современных исследований о разрушении волн лежит предположение об их двухмерности. С одной стороны, это существенно упрощает работу ученых, а с другой, не соответствует действительности: океан, очевидно, трехмерный.

Марк Макаллистер (Mark McAllister) из Оксфордского университета и его коллеги экспериментально исследовали начальные этапы обрушения волн, отказавшись от двумерной модели распространения колебаний в водной среде.

В качестве испытательного полигона физики использовали круглый бассейн глубиной два метра и диаметром 25 метров. Такая форма бассейна позволила ученым создать волны, направленные во все стороны одновременно и без ограничений. Для измерения результатов исследователи использовали систему волномеров, расположенных в форме решетки, которую передвигали внутри бассейна. Это помогло физикам исследовать полный спектр явлений во время обрушения волн. Ученые варьировали два основных параметра при проведении эксперимента: ширину распространения (если представить волну в виде графика нормального распределения, то ширина распространения соответствует стандартному отклонению) и угол пересечения (угол между направлениями двух пересекающихся волн).

После обработки экспериментальных данных физики выявили три различных механизма разрушения волн. Первый (разрушение бегущей волны) оказался аналогичен двумерному случаю — гребень волны опрокидывался и перетекал в горизонтальную струю жидкости. Когда физики увеличили ширину распространения, сформировались осесимметричные стоячие волны, механизм разрушения которых отнесли ко второму типу — с образованием вертикальной струи. Затем экспериментаторы увеличили угол пересечения, что вызвало интерференцию волн между собой, а образовавшийся в пересечении волн гребень образовал движущуюся стоячую волну и привел к третьему типу механизма разрушения, который сегодняшние модели диссипации пока не смогли описать.

Исследователи отметили, что в своей работе они не учли множество дополнительных факторов, которые распространены в естественной среде. Например, влияние сильного ветра на разрушение волн, как это чаще всего бывает на просторах океана. Однако текущие результаты уже сегодня могут оказаться полезными при проектировании защиты морских платформ от разрушения волнами-убийцами.

О том, как физики увидели волны-убийцы в бассейне со стоячими волнами, мы писали ранее.