Люди тысячи лет защищают берега от волн. Теперь физики объяснили, как это делать правильно
Международная группа физиков под руководством Университета Сорбонна, Париж, используя обычные волны, движущиеся по каналу, показали как работает идеальный поглотитель волн, в котором волны гасятся собственными отражениями от полостей, встроенных в стенку канала. Эта конструкция может стать важнейшей частью прибрежных молов, защищающих от штормов береговую линию.
«Нас мотивировала необходимость контролировать волны в реках и защищать береговые линии», — говорит соавтор работы Агнес Морель. — «Полное поглощение волновой энергии даже лучше, чем ее перенаправление, вы, например, можете собирать такую энергию для производства электричества».
Идеальный поглотитель
Добиться идеального поглощения совсем непросто. За последние несколько лет исследователи, работающие с волнами света или звука, продемонстрировали нечто очень близкое к идеальному поглощению. Но никто не создал идеального поглотителя волн воды.
Морел и ее коллеги попробовали новый подход, основанный на их собственных недавних математических работах. Они показали, что идеального поглощения можно добиться, создавая особого типа резонансные структуры, с которыми будут взаимодействовать накатывающиеся волны. Эта работа показала, что для волн, движущихся по прямому каналу, эти структуры при возбуждении проходящей волной будут порождать вторичные (отраженные) волны, которые полностью нейтрализуют волны, идущие как вперед, так и назад.
Чтобы продемонстрировать эту теорию на практике, Морел и ее коллеги следовали двухэтапной процедуре: сначала они проанализировали, как резонаторы могут обеспечивать нулевое пропускание на определенных частотах, а затем точно настроили установку, чтобы обеспечить нулевое отражение на тех же частотах.
Ученые рассматривали водный канал длиной 1,4 м, шириной 6 см и глубиной 5 см. В предварительных расчетах, исходя из уравнений идеальной жидкости, не имеющей потерь энергии из-за трения, они показали, что две небольшие полости, встроенные в стенку канала, могут выступать в качестве необходимых резонансных камер.
Команда проверила эти прогнозы на волнах воды в лаборатории. В точном соответствии с прогнозами исследователи обнаружили два провала на кривой зависимости потока от частоты: первый почти приближается к нулю, а второй спадал примерно до 40%. По словам исследователей, расхождения с теорией отражают потери на трение в жидкости и приближения, использованные в анализе.
Пока эксперименты происходили с двумя одинаковыми камерами, они не обеспечивали идеального поглощения ни на одной частоте. Но исследователи обнаружили, что если одну полость сделать немного глубже, чем другую, результат будет получен. Они смогли достичь идеального поглощения — нулевого пропускания и отражения — на частоте 2,9 Гц..
Агнес Морел и ее коллеги надеются развить эту идею для использования в практической системе защиты береговой линии от эрозии. «Механизм, который мы продемонстрировали для направленных волн, можно расширить до своего рода защитного пояса в море», — говорит она.
«Это важная статья», — говорит Себастьян Генно из Имперского колледжа Лондона. Он предвидит такие применения, как «новые типы дамб, которые могли бы удерживать воду с меньшим риском перелива». И он говорит, что резонансные структуры также могут быть использованы для сбора энергии океанских волн.