Наряду с волнами, которые в физике являются как бы изображениями колебательных движений, весьма интересно изучать волны в настоящем смысле слова, от которых и произошло самое название: волны на поверхности воды и другие родственные им формы. Эти волны, наблюдаемые непосредственно в природе, построены чрезвычайно сложно и не так-то легко поддаются изучению посредством сравнений; наблюдать их мы можем постоянно, но раз'яснить до конца их строение и способы их возникновения нам пока не удается.
Гельмгольц показал теоретически, что когда одна жидкость движется над другой, на поверхности их раздела получаются волны. Воздух тоже можно рассматривать как жидкость; его сжимаемость в данном случае не имеет значения.
Явление образования волн и возрастания их размаха весьма сложно. Прежде всего в воздухе обращает на себя внимание то, что течение его не бывает равномерно, и что ветер в большей или меньшей степени образуется отдельными толчками. Эту структуру ветра легче всего обнаружить по его действию на гладкую водную поверхность; мы видим, как то тут, то там толчок ветра бороздит воду, и парусная лодка считается с этими порывами, норовя то использовать их, то от них укрытия.
Если такие поры вы ветра и не будоражат непосредственно воду, то во всяком случае они вызывают колебания давления у поверхности воды, как бы подсасывая нижние слои, т. е. уменьшая давление воздуха. Кроме того, ветер действует на вызванные им самим волны, скользя вдоль них и прогоняя перед собою воду. При этом он действует на наветренную сторону волны сильнее, чем на подветренную, и притом сильнее всего на вершину. Сила его толчка оказывается таким образом наибольшей на гребне волны. С другой стороны, протекающий мимо воздух оказывает всасывающее действие на отдельные части волны, а это последнее больше всего там, где воздух встречает наименьшее сопротивление, т. е. опять-таки на гребне волны; у ее подножия лодка идет с несколько замедленной скоростью и оказывает там поэтому меньшее всасывающее действие. Сложение этих обоих причин содействует дальнейшему увеличению высоты волн.
Образование гигантских волн в значительной мере зависит, повидимому, от явления, которое связано с прибоем волн. Частички воды в волне находятся в круговом движении. В этом легко убедиться, если, войдя в воду настолько глубоко, чтобы еле касаться дна, предоставить себя власти волн. Тогда, кроме поднятия и опускания тела, можно ясно ощущать передвижение по направлению к берегу и обратно. Эти оба движения представляют собою как бы доли общего круговращения водных частиц. Поступательное движение бывает притом больше для больших волн, чем для мелких. Ясно, почему это так: у больших волн частицы гребня лежат выше, чем у маленьких, поэтому они с большей силой стремятся к положению равновесия, чем частицы гребней мелких волн. Поэтому, далее, они быстрее будут втягивать соседние частицы воды в свое выравнивающее колебательное движение, что и обусловливает в результате большую скорость крупных волн.
Это различие в скорости распространения волн различной величины играет важную роль в образовании очень больших волн. Очевидно, большие волны будут догонять маленькие, и высоты их гребней слагаются, так что получаются одни только большие волны с соответственно увеличенной скоростью. Процесс продолжается и далее, и при сильных бурях иногда получаются волны до 15 метров высоты при 250 метрах расстояния между гребнями.
При колебаниях воды соответствующим образом должен, очевидно, колебаться и воздух. Разности уровней воды в 10 м отвечает, например, разность давлений возудха в 1 мм ртутного столба, — величина уже значительная для воздушных движений. Поверхность раздела воды и воздуха будет колебаться со все возраrтающей амплитудой колебания.
Из сказанного определенно выясняются причины возникновения волн на воде и роль, которую здесь играет время. Становится понятным и то, что после наступившего затишья волны еще долго не могут успокоиться: ветра уже нет, а на море все еще бушует "мертвая зыбь". в этой зыби, однако, уже нет тех явлений, которые зависели от непосредственного воздействия ветра: "завитков" волн и обрушивания больших валов, вызываемых всасыванием и толчками движущегося воздуха.
Отсюда же уясняется и возникновение прибоя. Каждому из нас случалось наблюдать, что и при небольших скоростях ветра, когда в открытом море уже не видно "барашков", на берег еще бегут, разбиваясь, большие волны, оставляя за собой целые гирлянды пены. Это бывает, однако, лишь на плоских берегах, где дно мешает частичкам волны колебаться вверх и вниз. Прибой поэтому начинается тем дальше от берега, чем площе берег и чем выше волны. Частички воды, опускающиеся в своем круговращении прямо вниз, ударяются о дно или наталкиваются на поднимающиеся со дна другие водяные частички, и движение, направленное книзу, сменяется на обратное — подобно тому, как мяч отскакивает от пола. Волна вздымается вверх, чтобы затем разбиться или раскрыться в пену.
Наряду с этими волнами, нередко приходится видеть и другие. Если при отливе мы идем по берегу, на песчаной отмели, мы видим как бы застывшие формы волн, иногда такие жесткие, что по ним больно пройти босиком. Эти формы, созданные природой, иногда чрезвычайно своеобразны. То крутые, то более отлогие, лежат правильными рядами бесчисленные песчаные валики, все поперек направления, которое имела вода на отмели. Бывают, конечно, и легкие отклонения — одна волна перегибается, несколько волн сливаются, но в общем, преобладает определенная закономерность Иногда разнообразие явления обогащается еще тем, что на гребнях основных волн появляются вторичные мелкие волны, испещряющие их поперек. Они происходят от стоячих колебаний, образующихся при обратном стекании воды с неровностей берега, и придают картине еще более красивый вид.
В каком-нибудь другом месте мы находим менее правильные формы песчаных волн, напоминающие скорее волны на воде. Здесь мы не видим правильных песчаных грядок; получаются как бы легкие дуги, сходящие на-нет или переходящие одна в другую. Здесь течение было не так равномерно и не так сильно, как в предыдущем случае.
Там, где закругление берега благоприятствует обратным стокам воды, получаются резкие закругления наших основных волн.
Во всех этих случаях причиной образования песчаных волн является уже не ветер. Они образуются в мягком грунте под влиянием течения воды; современем они могут увеличиваться совершенно так-же, как увеличиваются волны на море под дуновением ветра.
Большинство видимых волн, однако, связаны с движениями воздуха, в свою очередь приводящими в движение прилегающие к ним слои другой среды.
Такие волны мы можем, например, видеть в дюнах. После того, как ветер дует несколько дней подряд, вздымая тучи песку, мы видим на некоторых местах целые песчаные нагромождения в несколько метров высоты. Где откосы падают круче, дюны также спадают круто вниз, и ровная линия показывает направление, куда дул ветер. Но в иных местах мы наталкиваемся на настоящие песчаные волны, настолько тонкие и красивые, что нам жалко испортить их ногами. Мелкие ряды волн бегут тесно друг за другом, и получается полная иллюзия ряби на воде при маленьком ветерке. Каким образом могли попасть на песок эти изображения водяной ряби? Взгляд на рельеф дюны показывает нам, что она здесь идет полого, и что ветер, по всей веронтности, дул с небольшой силой и из постоянного направления; рядом с нашими волнами мы видим совсем ровную песчаную поверхность. Там, где условия рельефа содействуют равномерному течению воздуха, волны ложатся мелкими ровными рядами и редко сливаются одна с другой. Но в долинах между песчаными горами, где в бурю движение воздуха находит себе дорогу, так что песок и мелкие камни летят со скоростью снарядов, — там мы находим волны высотою в несколько дециметров с расстояниями до метра. Такие волны редко бывают правильными. Они ложатся закругленными кривыми, и на них появляются ответвления, которые все следуют одному главному направлению волн.
Эти волны на мягком песке дюн ложатся не так круто, как водяные волны. Но и здесь легко видеть, откуда дул ветер, в каком направлении он сдувал гребни песчаных волн: их наветренная сторона более отлога, чем подветренная. Таких острых гребней, как на водяных волнах, мы здесь не увидим: песчаные зернышки не так легкоподвижны, как частицы жидкости, а с другой стороны они легче скатываются с вершины вниз, и формы получаются более сглаженными.
Есть и еще один род видимых волн: это волнистые облака. Размеры этих волн, правда, совсем иные, чем те, о которых мы говорили до сих пор. Воздушные слои наверху имеют различную плотность, так как один слой теплее, другой холоднее. Очень часто эти слои находятся в движении один над другим. Тогда на их границе образуются длинные волны, иногда длиною в целые километры. Очень часто они остаются для нас невидимыми. Но когда воздух в верхних слоях достаточно влажен, поднимающийся на вершинах волн воздух охлаждается и выделяет крошечные капельки воды, которые и образуют ряды волнистых облаков.
Такие волнистые облака особенно интересно наблюдать сверху с высокой горы, глядя вниз в долину. В долине — туман, наверху — солнце: движение воздуха чуть заметно. И однако, этого слабого движения достаточно, чтобы вызвать волны в облачном море внизу. Эти волны имеют совсем иной вид, чем все, какие мы видели до сих пор: они с очень мягкими очертаниями и, тем не менее, с определенно выраженными тенями. И хотя нам часто досадно, что облака закрывают от нас вид, который должен открыться с вершины, но сама по себе картина облачного моря с правильными волнами на нем так красива, что невольно приковывает наш взгляд; порою даже жалко, когда облака начинают прорываться то там, то тут, и наконец вся облачная пелена постепенно расплывается и исчезает.
Невольно задаешь себе вопрос: что так привлекает нас в этих картинах? Почему глазу приятнее смотреть на все эти формы волн, чем на обычные неправильные облака, на ровный песок, на спокойное море? Скорее всего, здесь говорит в нас не вполне определенное, бессознательное, но присущее нам от природы чувство закономерности, ритмичности. Правильные ряды волн — точно застывшая музыка; это ритм, воспринимаемый зрением, от которого глазу трудно оторваться.
