Изобретена линза для морских волн

Китайские физики разработали идею «линзы» для океанических волн. Кроме очевидных практических применений, она может оказаться полезной и для научных исследований.

Вбив в дно «колышки» в нужных местах, можно добиться эффективной поперечной фокусировки океанских волн (изображение с сайта aps.org)

Все знают, что свет при переходе из одной среды в другую испытывает частичное отражение и преломление. Именно на этих явлениях основаны оптические приборы, простейший из которых — линза. Однако отражение и преломление свойственны всем волнам, не только световым. В повседневной жизни можно столкнуться с отражением (эхо) и преломлением звуковых волн, а также с четко выраженным отражением морских волн от крутого берега и их отклонением (которое можно было бы назвать «плавным преломлением») при выходе на мелкий берег. Возникает естественный вопрос: а можно ли создать нечто вроде «линзы» для волн на воде?

Физикам из Гонконгского университета удалось придумать такую систему, правда пока лишь теоретически. Еще в 2003 году в статье X. Hu et al., Physical Review E, 68, 037301 (23 September 2003) они с помощью численного моделирования изучили распространение волны в кювете, на дне которой были периодически, в виде густой сети, расположены тонкие столбики. Выяснилось, что волна в этом случае не отражается от каждого из них по отдельности, а чувствует всех их сразу, т. е. как бы распространяется в некой особой среде.

Сейчас же, в недавней работе X. Hu and C. T. Chan, Physical Review Letters, 95, 154501 (4 October 2005), исследователи пошли еще дальше. Раз свободная поверхность воды и «поверхность с колышками» — разные среды для волны, то на их границе должно происходить преломление. Результаты численного моделирования подтвердили эту догадку. Более того, китайцам даже удалось перейти от численного моделирования к аналитической теории и найти формулу для «коэффициента преломления» морских волн в такой среде. Когда же они рассмотрели прохождение волны через «линзообразную» область с колышками, то получили эффект фокусировки плоской волны — именно то, что от линзы и требуется.

Экспериментальная реализация предложенной идеи должна сразу найти ряд применений. Цунами такой линзой вряд ли удастся остановить, но вот управление распространением океанских волн в береговой зоне кажется вполне реальным. Причем, в отличие от тех же волнорезов, управление это не жесткое, без разрушения конструкций. Во-вторых, такая линза должна резко повысить производительность энергетических установок, черпающих энергию из океанических волн. Основное ограничение в таких электростанциях — малая высота волны — легко преодолевается, если установку поместить в фокус линзы. Наконец, в отличие от световых или звуковых волн, волны на поверхности воды очень нелинейны, что позволяет изучать явления, недоступные в оптических или акустических опытах.

Игорь Иванов