Призрак на волнах

Вера Винниченко
«Квантик» №10, 2023

Подошёл к концу первый день в Греции. Накупавшись в море, наевшись оливок с апельсинами, уставший папа давно уже спал. А Лёлик и Тоха сидели на балконе четвёртого этажа отеля, нависавшего над берегом Ионического моря. Над чёрными горбами волн лежала лёгкая белая пена. Она образовывала узор, похожий на старика с огромной бородой. Волны шли под пеной с рёвом, переваливаясь и разбиваясь вдребезги о скалистый берег. Но пена лежала на них — лёгкая, живая и невредимая. Волны проходили, а причудливый рисунок оставался нетронутым.

— Тоха, посмотри, там внизу на воде призрак, и он смотрит на нас, — сказал Лёлик. Лёлик ходил в первый класс и больше всего на свете любил мистические истории.

— Лёлик, это морская пена! — засмеялся Тоха. Он был старшим братом, учился на одни пятёрки, обожал физику и поэтому его было очень трудно удивить.

— Как пена? — не поверил Лёлик. — Нет! Пена лёгкая, а волны большие.

Они бы унесли пену к берегу и разбили её о скалы.

— Лёлик, ты вообще понимаешь, что такое волна? — на всякий случай спросил Тоха.

— Конечно! Волна — это холмик воды, который бежит по морю, — ответил Лёлик.

— И ты, наверное, думаешь, что вода перемещается вместе с холмиком?

И что если сесть на этот холмик, то ты на нём доедешь до берега, да?

— Ну да, — кивнул Лёлик.

– На самом деле вода не бежит вместе с холмиком. Холмик идёт к берегу, а вода то поднимается вверх, то опускается вниз, — стал рассказывать Тоха.

— Ничего не понятно, — обиделся Лёлик. — Как это вода идёт вверх и вниз?

Я же вижу сейчас, как вода идёт к берегу. То есть вперёд.

— Смотри, — терпеливо объяснял Тоха, — если бы ты сел на волну, то не поплыл бы вместе с ней к берегу, а провалился бы вниз.

— Да, я тяжёлый, я не призрак, и даже не пена, — грустно кивнул Лёлик.

— А если вместо тебя посадить на волну поплавок? — поинтересовался Тоха.

— А поплавок доедет на волне до берега! Волна его подхватит и дальше они уже будут плыть вместе, — радостно ответил Лёлик.

— А вот и нет! Поплавок поднимется наверх, потом опустится вниз. — Тоха достал карандаш, блокнот и стал рисовать.

— Как же это может быть — поплавок на месте качается, а холмик бежит? — удивился Лёлик.

— А ты представь, что поплавков много, вся поверхность моря ими усеяна. И все они вот так качаются. Смотри: вот левый поплавок на вершине «поплавковой волны», он сейчас начнёт проваливаться. Но следующий поплавок справа поднимется, он станет новой вершиной, и так далее, — говорил Тоха.

Рис. 1. Колебания на поверхности воды при прохождении волны

— Волна проходит вбок. А поплавки движутся вверх и вниз.

— Да.

— С поплавками понятно, — сказал Лёлик, — но с водой непонятно. Ты говоришь, что холмик бежит, а вода никуда не бежит. Куда она тогда девается?

— Частички воды как бы делают кувырок вперёд. Посмотри на призрака своего: когда по нему волна проходит, он на ней вперёд прокатывается, а в промежутках обратно откатывается.

— И правда, — согласился Лёлик. — По-твоему выходит, что вода на месте крутится?

— Правильно, — похвалил брата Тоха.

— Тогда понятно, почему большие волны не уносят с собой моего призрака, хоть ты и говоришь, что он всего лишь пена. Но если ты прав, как же тогда остатки разбившегося пиратского корабля прибивает к берегу? Я такое в кино видел.

— Ну, это только в кино, — ответил Тоха.

— Такое бывает, — вдруг проснулся папа. Он вышел на балкон, сладко потягиваясь.

Рис. 2. Круговые движения воды

— Папа, папа! — сказал Тоха. — Лёлик опять видел привидение.

Но я сказал ему, что это не привидение, а морская пена. А ещё Лёлик думал, что морская вода бежит вместе с волной. А я рассказал, что она кувыркается и откатывается туда, где была.

— Ты прав, Тоха, — похвалил папа старшего сына, — ты всё очень хорошо рассказал. — Ура!!! — обрадовался Тоха.

— Но и Лёлик тоже немного прав, — заступился папа за младшего сына.

— Я же говорил! Привидения существуют, — обрадовался Лёлик.

— Привидение твое всё же немного будет плыть к берегу. И остатки разбившегося корабля может прибить к берегу, — кивнул папа.

— Но как? — не понимал Тоха.

— Во-первых, ветер может дуть к берегу. Тогда обломки постепенно будет сносить к берегу. Во-вторых — течение может быть в сторону берега. В-третьих, сами волны потихоньку несут поверхность воды к берегу! — ответил папа.

Рис. 3

— Я был прав! — воскликнул Лёлик.

— Ты был прав только чуть-чуть, — уточнил Тоха, — папа, как же так? Если каждая точка воды кувыркается и возвращается на место, как же она может при этом перемещаться к берегу?

— Идея в том, что она может по своей окружности гулять, а может залезть на соседнюю. Вот так постепенно, шаг за шагом, круг за кругом, она и переместится к берегу, — сказал папа.

— Но если волны несут воду к берегу, то куда она там девается? — настаивал Тоха. — А сами вы как думаете?

Художник Мария Усеинова

Ответ

Сначала нарисуем, в каких направлениях движутся частички воды. Считаем, что сама волна движется «вперёд» (на рисунке далее — слева направо). Чем сильнее движение воды — тем длиннее будем рисовать стрелку.

Когда вода опускается, ей мешает вода под ней, упирающаяся в дно. Поэтому тонущая вода раздвигает окружающую воду, «расступается» в стороны. А когда вода поднимается, окружающая вода смыкается за всплывающей, занимая освобождающееся место. Это вынуждает частички воды колебаться не только по вертикали, но и по горизонтали. Мы также считаем, что чем глубже, тем сильнее движущаяся вода затормаживается, поэтому чем глубже — тем стрелки короче (а на одной горизонтали все стрелки равны, но повёрнуты в разные стороны).

Тогда что же происходит с водой в волне? Вот наш водяной поплавок тонет. Потом он перестаёт тонуть, но теперь участок спереди тонет, раздвигая воду, а участок сзади — всплывает, вода за ним смыкается, и поплавку приходится подвинуться назад! Поэтому в самой нижней точке волны поплавок движется назад (см. рисунок ниже).

Потом наш поплавок всплывает. Когда он находится в самой верхней точке волны, участок впереди него всплывает, «притягивая воду», а участок позади него тонет, расталкивая воду, поэтому поплавку приходится подвинуться вперёд. Значит, вода на гребне едет вперёд. По ссылке смотрите видео-модель!

Итак, вода колеблется вперёд-назад. Но что её вынуждает в целом немного сдвигаться вперёд?

Во-первых, каждая частичка воды идёт вперёд тогда, когда она в верхней части своего пути, а назад идёт в нижней части. Но вспомним, что с глубиной размах колебаний воды становится меньше, так что откат оказывается немного меньше. Во-вторых, вперёд частица движется немного дольше: ведь она при этом идёт за волной, а когда откатывается, она, наоборот, движется навстречу волне и проскакивает эту фазу чуть быстрее. В итоге верхний путь вперёд имеет чуть больший размах, чем дуга назад, и окружности, по которым точки движутся, разматываются в такие спирали, как на рисунке 3 в статье. По ссылке смотрите эту модель.

При этом морская толща сползает всё время немного назад по дну, наталкиваясь на берег.