Хвилювання. Море рідко буває спокійно. Навіть в тихі дні, коли поверхня моря здається рівною і гладкою, море все ж слабо колишеться, що легко помітити біля берегів. Під час же вітру поверхню моря суцільно покривається хвилями. І чим сильніше вітер, тим сильніше хвилювання.
Хвилювання грає величезну роль як в житті моря, так і в житті його узбережжя. Хвилювання перемішує верхні шари води, зрівнює температуру і солоність, руйнує високі береги і прибережні споруди, намиває вали пісків і гальки по пологим берегів, викликає качку, а в деяких випадках розбиває кораблі про берегові скелі. Все це разом узяте вже давно змусило людини уважніше підійти до вивчення хвиль.
Рух води при хвилюванні. Коли ми стоїмо на березі і дивимося на хвилі, то бачимо, що вони ритмічно і плавно біжать одна за одною, наближаються до берега, набігають на берег і розливаються пінистим валом. Якщо кинути невеликий дерев'яний предмет або закупорену пляшку на рухому до берега хвилю, то ми помітимо дивну і на перший погляд незрозумілу особливість. Хвиля рухається до пляшки, підхоплює її, піднімає на самий гребінь, а потім йде далі, а пляшка залишається майже на тому ж місці. Набігає наступна хвиля, пляшка знову піднімається і опускається і знову залишається на місці.
Продовжуючи наше спостереження далі, ми помітимо, що пляшка (а також будь-який інший невеликий плаваючий предмет) відчуває тільки підняття і опускання, але поступального руху (вперед) не має.
Більш точні спостереження показують, що кожна частинка води під час її руху відчуває лише кругові рухи у вертикальній площині, перпендикулярній до гребеня хвилі (рис. 164). Неважко зрозуміти, що чим більше діаметр описуваної окружності, тим більше хвиля.
Хвиля і ееелементи. Будь-яка хвиля незалежно від її величини має піднесену і знижену частину. Кожне з'єднання піднесення і поглиблення разом становить одну хвилю.
У кожній хвилі розрізняють наступні елементи: вершину, підошву, схили, довжину і висоту. Вершина, або гребінь, - це найвища частина хвилі. Підошва - сама знижена частина хвилі (рис. 165). Відстань між двома гребенями або підошвами двох хвиль називають довжиною хвилі (рис. 166). Відстань від вершини до підошви, виражене вертикальною лінією, називають висотою хвилі. Період часу, протягом якого гребені двох сусідніх, наступних один за одним хвиль проходять через одну і ту ж точку, називають періодом хвилі. Швидкість же руху гребеня називають швидкістю хвилі.
Хвилі моря можуть бути трьох родів: вітрові, сейсмічні і стоячі. Вітрові порушуються дією вітру, сейсмічні - в результаті землетрусів і стоячі, порушувані різкими змінами в атмосферному тиску або іншими причинами. Сейсмічні і стоячі хвилі спостерігаються дуже рідко, вітрові ж бувають майже завжди. При вивченні моря ми зупинимося тільки на вітрових хвилях.
Вітрові хвилі. Коли після тривалої тихої погоди раптом налетить вітер, поверхня моря покривається дрібними брижами. Дрібна брижі обумовлюється дуже дрібними так званими капілярними хвилями, захоплюючими лише поверхневу плівку води. якщо вітер
не припиняється, то брижі досить швидко змінюється спочатку дрібними хвилями, а потім з дрібних хвиль поступово утворюються більші хвилі, що йдуть правильними рядами. Однак при збільшенні швидкості вітру ряди хвиль дробляться на частині і правильність їх руху порушується. Схили хвиль, звернені назустріч дме вітром, отримують більший тиск в порівнянні з протилежними схилами. В результаті форма хвиль поступово змінюється, вони стають асиметричними (рис. 167). При сильному вітрі гребені хвиль переміщаються вперед, обрушуються і. розсипаються в пінисту масу. При цьому гребені хвиль стають білими.
При сильних штормах можуть знову виникнути паралельні ряди дуже великих хвиль. Схили цих хвиль зазвичай бувають ускладнені дрібнішими хвилями неправильної форми. При цьому верхівки величезних хвиль також переміщаються вперед і зі страшною силою можуть бити в борта кораблів. Подібні удари є великою небезпекою для судна.
Якщо на поверхню бурхливого моря вилити невелику кількість рослинного або мінерального масла, то удари гребенів хвиль припиняються. Виходить це тому, що масло дуже швидко розтікається по поверхні хвиль найтоншої плівкою (0,0002 мм), і ця плівка завдяки великій в'язкості масла перешкоджає утворенню гострих гребенів До В результаті висота хвиль зменшується, і хвилі приймають характер брижах. Щоб підтримати такий стан хвиль, для корабля середньої величини потрібно близько 3 л олії на 1 годину.
Коли шторм або вітер вщухне, море довго ще не заспокоюється. Але хвилі без вітру не утворюють гострих гребенів, і висота хвиль поступово зменшується. Таким чином, хвилювання змінюється брижами.
Розміри вітрових хвиль у відкритому океані. Багаторічні спостереження над хвилями у відкритому океані показали, що висота хвиль залежить: 1) від швидкості вітру, 2) від довжини розгону (т. Е. Довжини того шляху хвилі, на якому вітер весь час впливає на хвилю) і 3) від тривалості вітру . Інакше кажучи, висота хвиль залежить не стільки від сили вітру, скільки від розмірів площі басейну і від сталості вітру. Звичайні штормові хвилі в відкритому океані досягають 6-8 м висоти.
Найбільших розмірів (до 12 і навіть 15 ж) штормові хвилі досягають лише в південних частинах Великого, Атлантичного і Індійського
океанів, де ці океани, зливаючись разом, утворюють безперервне кільця. Крім величезного водного простору, чималу роль тут відіграють також і пасати, що постійно дмуть в північно-західному напрямку.
У деяких окремих випадках відзначалися хвилі до 30 м висоти. Але тут, мабуть, допускалися перебільшення, цілком можливі при недостатній точності в спостереженнях. Так, наприклад, з корабля, що знаходиться на схилі хвилі, сусідню хвилю завжди бачать більш високою (рис. 170).
Прибій хвиль у пологих берегів. Коли хвилі наближаються до берега, виникає тертя об дно басейну. В результаті тертя швидкість хвилі зменшується, а висота, навпаки, збільшується. Те ж тертя затримує рух водних частинок в нижній частині хвилі, в результаті чого верхня частина хвилі починає перекидатися. При цьому верхівка хвилі звичайно розсипається в пінисту масу (рис. 171).
Цікаво відзначити, що ряди хвиль, незалежно від того, куди дме вітер, у міру наближення до берега зазвичай змінюють своє колишнє напрямок і стають паралельними березі. Причиною зміни напрямку рядів хвиль біля берегів є той же тертя об мілководну мілину берега.
Накотившись на берег, вода стікає назад, зустрічається з новою хвилею і знову викидається на берег. При цьому русі вода захоплює пісок і камені. Завдяки безперервному тертю камені обтачиваются і приймають округлу форму. Під час сильного хвилювання хвилі набігають дуже далеко на берег і відкладають там камені у вигляді валу. Хвилі менших розмірів утворюють другий вал з каменів менших розмірів і т. Д. В результаті виходить пологий пляж, що складається з обточених каменів і пісків, викинутих хвилями (ріс.172). хвилі,
набігаючи на пологі берега, створюють умови для зворотного відтоку води. Це зворотний рух, яке легко помітити по мовам взмученной води, носить назву розривних течій.
Швидкість цих течій в деяких випадках досягає 3,5 км на годину. Подібні течії навіть для хороших плавців представляють труднощі. Однак слід пам'ятати, що розривні течії зустрічаються не у всіх пунктах берега. Плавець, просуваючись уздовж берега, завжди може знайти місця, де течії слабкі або вони відсутні зовсім.
Прибій хвиль у крутих берегів. Інший характер має прибій хвиль у крутих берегів, де море звичайно буває глибше. Тут хвилі, підступаючи до берега, з величезною силою вдаряють в берегові скелі. Чим різкіше убуває глибина, тим вище хвилі прибою. Це зрозуміло. У пріглубие берегів хвилях не доводиться проходити мілководді і витрачати
енергію на подолання тертя. У деяких випадках висота таких хвиль досягає 40 м. У штучних портових споруд (у стінок хвилеломів) висота прибійних хвиль може досягати 60 м.
Сила подібних хвиль дуже велика. Вивчення прибійних хвиль і особливо сили ударів цих хвиль має дуже важливе значення для розрахунку портових огородітельних споруд. Численні виміри показали, що найбільша сила удару хвиль доводиться не на лінію урізу води (у її спокійному стані), а трохи нижче. Відзначено також, що сила удару хвиль залежить від висоти хвиль, а також від періоду хвиль. Період хвилі визначити легше (користуючись лише секундоміром). Звідси обчислення сили удару хвиль зручніше проводити не по висоті, а по періоду хвиль.
Крива, побудована на підставі простих формул, дає можливість швидко і просто визначати силу удару хвиль. По вертикалі відзначається сила удару в тоннах на квадратний метр, по горизонталі - періоди хвиль. Так, наприклад, якщо період хвилі 7-8 сек. то сила удару 3-4 т. Величезна сила хвиль може використовуватися людиною. Пошуки способів використання цієї сили ведуться давно, але результати поки були мало вдалі. Справа в тому, що хвилі дуже непостійні: від найменших і до дуже великих. Пристосувати машину для використання хвиль різної величини дуже важко. Сильні штормові хвилі зазвичай легко руйнують рухливі деталі цих машин. Дуже цікавим є новий принцип використання сили морських хвиль, запропонований АВТОНОМОВОЙ. Суть його полягає в тому, що хвилі особливими спорудами уловлюються і прямують на берег. Викинута хвилями вода йде в басейн, звідки стікає рівномірно. Ця течія вже неважко використовувати турбінами.