Физики нашли способ идеально гасить волны для защиты берегов

Международная команда под руководством парижских учёных показала на практике, как можно погасить волну, заставив её собственное отражение самой себя уничтожить. Секрет — в специальных резонансных полостях, встроенных в стенку канала. Звучит как фантастика, но это может стать основой для молов и волнорезов будущего, которые будут не отражать, а «проглатывать» штормовую энергию.

«Нас двигала простая и важная цель — научиться управлять волнами в реках и защищать берега, — говорит соавтор исследования Агнес Морель. — Полное поглощение энергии волны даже лучше, чем её перенаправление. Ведь поглощённую энергию, в теории, можно собирать и использовать, например, для генерации электричества». Практично, не правда ли?

В погоне за идеалом: как заставить волну исчезнуть

Добиться идеального поглощения — задача не из лёгких. За последние годы учёные подобрались очень близко к этому с волнами света и звука. Но с водяными волнами ничего подобного до сих пор не получалось. Почему вода оказалась такой сложной?

Морел и её коллеги пошли другим путём, опираясь на свои свежие математические наработки. Они доказали, что идеального поглощения можно достичь, создав особые резонансные структуры. Когда набегающая волна возбуждает их, они порождают вторичные, отражённые волны, которые вступают в точную интерференцию с основной — и гасят её. Получается волновое самоуничтожение.

Чтобы превратить теорию в осязаемый эксперимент, команда действовала в два шага. Сначала они рассчитали, как резонаторы могут сделать так, чтобы волна на определённой частоте совсем не проходила дальше. Затем тонко настроили систему, чтобы на той же самой частоте волна ещё и не отражалась назад. Два нуля одновременно — вот формула идеального поглотителя.

Учёные взяли водный канал длиной чуть больше метра. С помощью уравнений, описывающих идеальную жидкость (без учёта трения), они рассчитали, что две небольшие полости в стенке канала могут сыграть роль нужных резонансных камер. Кажется, что всё просто, но в этой простоте и гениальность.

Лабораторные испытания с реальной водой подтвердили прогнозы. На графиках потока энергии появились два провала. Один почти упал до нуля, второй — до 40%. Небольшие расхождения с теорией объяснились просто: в реальности существует трение в жидкости, а в расчётах им поначалу пренебрегли. Физика любит напоминать, что мир сложнее наших моделей.

Поначалу с двумя одинаковыми полостями идеального поглощения не вышло. Но что, если их немного изменить? Оказалось, стоит сделать одну полость чуть глубже другой — и вуаля! На частоте 2,9 Гц исследователи зафиксировали и нулевое прохождение, и нулевое отражение. Волна приходила к стенке и бесследно растворялась. Это и есть тот самый идеальный поглотитель в действии.

Агнес Морель и её команда смотрят в будущее. Они надеются развить эту идею до полноценной системы защиты побережий от эрозии. «Механизм, который мы показали для направленных волн, можно масштабировать до своего рода защитного пояса в открытом море», — говорит она.

«Это важная работа», — отмечает Себастьян Генно из Имперского колледжа Лондона. Он предвидит применение не только в новых типах дамб, которые смогут удерживать воду с меньшим риском перелива, но и в системах сбора энергии океанских волн. Представьте: буй, который не раскачивается на волнах, а спокойно забирает их энергию, преобразуя в электричество. Будущее береговой защиты может оказаться гораздо умнее и тише.