Ученые надеются лучше изучить механизм действия цунами — одиночных разрушительных волн, угрожающих жителям океанского побережья. Для этого они пытаются искусственно воссоздать подобные волны в лабораторных условиях.
Повелитель цунами: анатомия цунами
Генератор цунами Лаборатории изучения волн им. Хинсдейла, штат Орегон

Цунами — длинные одиночные волны — возникают главным образом в результате тектонических подвижек на дне океана. Современная наука еще не научилась точно предсказывать время и место их возникновения. 80% цунами возникают на периферии Тихого океана. Японские ученые первыми стали думать об изучении этого разрушительного явления в лабораторных условиях. В Австралии, Англии, США тоже появились научные лаборатории, моделирующие искусственное цунами с целью изучения механизмов его действия и возможности предсказания.


Анатомия искусственного цунами

Волны формируются в стометровом канале глубиной 5 метров. Он заполнен тысячей тонн чистой воды. Дно этого бассейна плоское, но в конце канала начинается подъем, заканчивающийся коротким плато. Этот профиль, подобранный в экспериментальном порядке, соответствует типичному океанскому побережью. В такой ситуации волны, выходя на мелководье, набирают высоту, а затем обрушиваются. Эта экспериментальная установка позволяет исследовать как обычные периодические волны, представляющие собой череду гребней и впадин, так и волны типа «цунами», которые генерируют в одиночном порядке. Здесь показано, как в этой установке формируется одиночная волна цунами.

Стальной волнообразующий щит сдвигается вперед со скоростью 4 м/с и формирует волну высотой почти полтора метра и с профилем в виде колокола. Эта волна движется вперед по каналу в той его части, где дно расположено горизонтально. На этом участке имитируется движение цунами в открытом океане, и волна несется со скоростью 5 м/с. Далее это «мини-цунами» достигает зоны, где дно плавно идет наверх. Здесь высота волны немного увеличивается, а ее гребень начинает клониться вперед. И вот высота волны становится примерно равна расстоянию до дна (это финальное плато в конце волнового бассейна, имитирующее песчаную отмель, характерную для океанского побережья). Здесь волна начинает обрушиваться, формируя вертикальную стену из воды. Этот кипящий вал врезается в береговые конструкции, создавая всплеск высотой метров шесть. Теперь пройдет еще 10 секунд, пока вся вода не вернется обратно в бассейн.

Более половины населения США проживает в 80-километровой полосе вдоль океанского побережья, а эти места всегда находятся под угрозой ураганов, цунами и прочих связанных с погодой напастей. Ученые Лаборатории изучения волн им. Хинсдейла Орегонского университета полагают, что человеческие жизни, равно как и имущество, расположенное вдоль океанского побережья, можно защитить с помощью инженерных решений. Для испытания этих решений Лаборатория располагает гигантским генератором цунами. Это канал длиной 100 м, заполненный 1000 т воды. В одном из его концов установлен волногенераторный поршень с гидроприводом, позволяющий имитировать волны, возникающие в природе. Прокатившись вдоль всего канала, волны обрушиваются на молы, воспроизведенные почти в натуральную величину. Дэн Кокс, руководитель лаборатории, объясняет: «Если мы повалим его на какой-нибудь объект, результаты разрушений будут совсем не такими, как в реальной жизни. Тем не менее данные после пересчета вполне можно использовать для проектирования новых зданий и иных конструкций». «В нашей лаборатории мы пытаемся воссоздать точно такие же волны, какие бывают в природе, — говорит Джон Буши из компании MTS Systems, разрабатывавшей экспериментальную установку. — Пускать их посложнее, чем те, что мы видим в волновых бассейнах обычных аквапарков».

Волновой генератор в лаборатории OSU может создавать как периодические, так и одиночные волны.

Сервокомпьютеры

Управляют волновым генератором с помощью специального сервокомпьютера. Он используется для настройки амплитуды и частоты в движениях волногенерирущего щита. Благодаря этой электронике можно возбуждать не только простые синусоидальные, но и сложные нелинейные волны, которые обычно наблюдаются в природе. Компьютер соединен с двумя сервоклапанами волнового генератора, которые позволяют задавать количество жидкости, поступающей в гидроцилиндры. Для моделирования спокойной периодической океанской зыби волнообразующий щит устанавливается в центральное положение и относительно него ритмично раскачивается взад-вперед. Для имитации цунами этот щит сначала отводится назад до предела, а потом резко до предела выдвигается. Он достигает скорости в 4 м/с и останавливается, проделав четырехметровый путь. В результате в канале образуется одиночная волна колоколообразного профиля.

Гидравлика

После того как исследователи задали с помощью компьютера нужные параметры волны, два сервоклапана должны привести в действие весь гидравлический механизм. Для формирования волн заданного профиля один из сервоклапанов регулирует поток жидкости внутрь и наружу для двух гидравлических цилиндро-поршневых механизмов — один подает волнообразующий щит вперед, второй — назад. Третий гидроцилиндр уравновешивает давление воды со стороны волнового канала. Для того чтобы создать аналог цунами, необходима вся мощность волногенератора, и тогда исследователи включают в работу оба клапана, прогоняя через них 3 т жидкости в минуту.

Волнообразующий щит (поршень)

В прежней модели волногенератора волнообразующий щит был закреплен нижней кромкой на дне бассейна и поворачивался на петлях, так что его верхняя часть могла ходить вперед-назад, имитируя периодические волны, какие разгоняет ветер в открытом океане. Если же нам нужно сымитировать цунами хотя бы высотой в 1,5 м, потребуется одновременно сдвинуть весьма большую массу воды. Для этого исследователи установили двигающийся как единое целое стальной щит, собранный с помощью сварки и болтов. Высота этого щита составляет 5 м, а ширина — 4 м.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2010).