Мик О'Хара - Кто ест пчел? 101 ответ на, вроде бы, идиотские вопросы
Крис Гибсон (специалист по охране окружающей среды Великобритании, Колчестер)
Убегающие волны
Как-то раз мы с женой отдыхали, и у нас вышел спор: если бросить камни в воду средиземноморской гавани Сьютаделла, расположенной на Менорке, достигнут ли образовавшиеся волны берегов Северной Америки? Жена утверждала, что не достигнут, потому что им пришлось бы миновать Гибралтарский пролив и пересечь Атлантику, преодолевая противодействие других волн, берега, морского дна и штормов. Я же сказал, что волны, пока они не разобьются о берег, могут существовать бесконечно.
Кто прав? Дейв Джонстон (Хаунзлоу, Великобритания)Права ваша жена. Волны, возникающие на поверхности жидкости, не могут существовать бесконечно. Они теряют энергию, ведь прохождение волны вызывает колебание воды, и ее энергия рассеивается за счет сил внутреннего трения. Кроме того, по мере распространения волны энергия распределяется по все большему периметру, в связи с чем плотность энергии уменьшается до тех пор, пока она не перестает поддаваться измерению на фоне флуктуационных шумов. Волны, распространяющиеся в глубине жидкой среды, не вызывают больших колебаний воды, поэтому их энергия рассеивается относительно медленно. Вот почему цунами могут проходить огромные расстояния. Однако в мелком водоеме или даже в относительно неглубоких водах Средиземного моря энергия волн рассеивается гораздо быстрее.
Саймон Айвсон (Национальный университет, Индонезия)
Волны на поверхности жидкости, вызванные падением камня, распространяются концентрическими кругами, радиус которых постоянно увеличивается. Если допустить в идеале, что высота такой волны прямо пропорциональна энергии, за счет которой она возникает и сохраняет свою силу, и что нет потерь энергии за счет трения, тогда высота этой волны обратно пропорциональна ее радиусу — в силу того, что энергия, которую она несет, распределяется по всему замкнутому контуру постоянно увеличивающейся окружности. Таким образом, к тому времени, когда волны пройдут через Гибралтарский пролив, удалившись на 1000 км от места возникновения, их радиус увеличится в 1 млн раз и высота уменьшится в 1 млн раз в сравнении с той, какую они имели, когда их радиус составлял 1 м. То есть волны, изначально имевшие высоту 10 см, по выходе из Средиземноморья уменьшатся до 100 нм, что практически не поддается измерению. В принципе волны, вызванные падением камня, должны спокойно проходить сквозь другие волны. Но если волнам, о которых говорит ваш корреспондент, удастся преодолеть 6500 км и достичь берегов Америки, они к тому времени будут иметь высоту около 10 нм, что равно толщине 100 атомов. На самом деле даже такой высоты они не достигнут из-за трения о воздух и внутреннего трения самой воды. Более того, Гибралтарский пролив лежит не на линии прямой видимости от Сьютаделлы, поэтому волнам предстоит отразиться от Северной Африки или какого-нибудь проходящего судна, что повлечет еще большие потери энергии. Обычно источником энергии волн является ветер. Изначально энергия волны от брошенного камня очень мала, и скорость ее убывания обратно пропорциональна длине волны. А поскольку волны, вызванные падением камня, имеют малую длину, их энергия очень скоро угаснет. С другой стороны, разрушительные цунами, как то, что возникло в Индийском океане в конце 2004 года, образуются при высвобождении огромного количества энергии в результате таких явлений, как подводные землетрясения. Обычно волны цунами имеют длину 500 км, поэтому они теряют мало энергии при движении в направлении отдаленного берега. В районе больших глубин эти волны могут двигаться быстрее реактивного самолета, но, имея высоту около 1 м, они остаются незамеченными, даже переваливаясь через палубы кораблей. Однако, приближаясь к побережью, волны цунами замедляют ход и начинают «расти», зачастую достигая высоты нескольких метров и порой продвигаясь далеко в глубь суши. В масштабе это сравнимо с бросанием камушков в прибрежную лужу.
Майкл Фоллоуз (Уилленхолл, Великобритания)
Вы когда-нибудь видели, как быстро затихает рябь на поверхности стоячей воды, вызванная падением камешка? Внутреннее трение воды погасит спровоцированную вами волну задолго до того, как она смогла бы достичь Гибралтарского пролива, разве что бросить камень поистине гигантских размеров.
Мортон Нэдлер (Блэксберг, США)
Даже если изначально круговой волновой фронт не встречает на своем пути берегов, высота гребня его волны уменьшается в обратной пропорции к квадратному корню из значения пройденного расстояния. Первоначально волны, вызванные падением небольшого камня в море в районе больших глубин, имеют круговую диаграмму направленности. Но этот рисунок нарушается, если сегменты волнового фронта отражаются от различных береговых линий под разными углами в разное время. Если берег пологий и песчаный или болотистый, практически вся энергия сегмента волнового фронта, достигшего этого берега, будет поглощена его элементами и сколь-нибудь значительного отражения не произойдет. Почти идеального отражения без существенных потерь энергии в единственном главном направлении можно ожидать только в том случае, если сегмент волнового фронта ударится обо что-то вроде гладкой и твердой боковой поверхности скалы, находящейся в районе больших глубин. Но если горизонтальный контур стенки скалы от уровня моря до высоты гребня волны имеет неровности, сегмент волны рассеивается, отражаясь в разных направлениях. Взгляните на подробную карту Средиземноморья, и вам сразу станет очевидно, что все до единого сегменты волнового фронта, вызванного падением камня в гавани Сьютаделла на Менорке, прежде чем докатиться до Гибралтарского пролива и выйти в Атлантический океан, сначала отразятся от множества берегов. Еще один фактор — ветер. Большинство поверхностных волн водного пространства образуются за счет энергии ветра. Если волновой фронт, возникший из-за брошенного в воду камня, движется в том же направлении, в каком дует слабый ветер, волны могут постепенно увеличиться по длине и высоте. Однако сильный ветер полностью деформирует рельеф волнового фронта, так что он полностью утратит свой первоначальный рисунок. На мой взгляд, маловероятно, что сколь-нибудь существенная часть изначального волнового фронта, образовавшегося в результате падения в воду камня в гавани Сьютаделла, достигнет Гибралтарского пролива, а тем более берегов Северной Америки. Но я признателен за столь оригинальный вопрос.
Патрик Джонсон (Портленд, США)
Превратности погоды
Снежки не лепятся
Прошлой зимой я отдыхал в Шотландии и как-то попытался слепить снежок из свежевыпавшего снега, но у меня ничего не получилось. В этот день было очень холодно, и снег попросту не склеивался в комок, как это обычно бывает. Мой друг наблюдал подобное в Альпах. Чем это можно объяснить?
Мораг Чалленор (Данди, Великобритания)Неудивительно, что подобный вопрос возник у жителя Великобритании. Ни один канадец или житель северных районов США не стал бы утверждать, что из снега всегда можно слепить снежок. Все дети, живущие в Канаде и на севере США, знают, что снег не всегда лепится. Насколько я помню из детства, проведенного в Северной Америке, такое свойство снега, как клейкость, зависит от температурного режима. Если температура воздуха чуть ниже 0°C, как это часто бывает при выпадении снега в Великобритании, снег обычно сырой, падает большими хлопьями и хорошо лепится. Если очень холодно, скажем −20°C, снег, как правило, сухой, рыхлый и не лепится. Вероятно, степень влажности снега определяет количество льда, образующегося под давлением рук того, кто лепит снежок, и именно благодаря этому льду снег становится липким. Один мой коллега, тоже выросший в холодном регионе Северной Америки, напомнил мне, что, когда температура намного выше 0°C, снежки тают прямо в руках. Таким образом, существует определенный диапазон температур воздуха, при которых снег лепится, и так уж случается, что в Великобритании снег обычно выпадает при одном из значений этого диапазона.
Боб Лэдд (Эдинбург, Великобритания)
Только мокрый снег, в котором содержится до 50 % воды в жидком состоянии, хорошо лепится в снежки. А чтобы снег оставался мокрым, температура воздуха должна быть около 0°C. В 1842 году Майкл Фарадей высказал предположение, что ледяные частички мокрого снега покрыты тонкой пленкой воды, благодаря которой снежинки и склеиваются друг с другом. Он подвесил в ванне с замерзающей водой два кубика льда, доказывая на опыте, что эти кубики склеиваются друг с другом при одном лишь соприкосновении. Лорд Кельвин предложил другое объяснение. При сдавливании снежков точки поверхностей ледяных кристаллов вступают в контакт. Давление ладоней человека невелико, но в местах соприкосновения точек поверхности кристаллов оно может быть достаточно сильным и вызвать таяние. Как только давление ослабевает, вода опять замерзает. Но для утрамбовки более холодного снега сила давления должна быть большей. Теперь нам больше известно о природе поверхности веществ. Молекулы воды на поверхности ледяных частиц ни к чему не привязаны со стороны воздушной зоны, поэтому они обладают избытком энергии. Этой избыточной энергии может стать меньше, если две поверхности вступят в контакт, как это продемонстрировал Фарадей. Но если бы дело было только в этом, мы могли бы лепить снежки при температуре воздуха намного ниже 0°C. При очень низких температурах снежинки, имеющие разные формы и размеры, плотно не сцепляются. Однако при температуре воздуха близкой к 0°C отдельные молекулы воды становятся более мобильными и, перемещаясь по поверхности, заполняют щели между кристаллами, как бы связывая снежинки. Если площадь соприкосновения между снежинками больше, они связываются быстрее.
