Что происходит в «крытом океане»? [Veritasium]
[музыка] Я приехал посмотреть на крытый океан ВМФ. Картер Рок — это самый большой бассейн с искусственными волнами в мире. Здесь симулируют различные волны и проводят испытания масштабных моделей, прежде чем настоящий корабль спустят на воду.
Я видел фотографии, имел какое-то представление об этом месте, но зашел и просто обомлел. Вроде как крытый океан — только название. Но на самом деле это он и есть, даже цвет воды один в один. Это не похоже на бассейн, это с одной стороны океан, с другой испытательный полигон — и он огромный. Его длина 110 метров, ширина 73 метра, глубина 6 метров. Размеры примерно как у футбольного поля.
Крыша когда-то была самым большим безопорным куполом в мире. В этом бассейне можно создавать волны разных форм и размеров. Это делается с помощью подвижных щитков, установленных вдоль двух его стенок. Здесь 216 отдельных волнопродукторов. Мы можем пускать волны от -45 до 135 градусов. По сути, это как с другой стороны: мы позади больших аппаратов, которые производят волны.
216 волнопродукторов запрограммированы так, чтобы двигаться четко и слаженно, и без перебоев и ошибок, снова и снова создавая волны нужного размера и частоты, которые расходятся по всему бассейну. Тут видно пневмоподушки: благодаря им получается нужное движение. Вот эта деталь, которая установлена — это силовой преобразователь, другой такой же здесь наверху.
В мире много бассейнов с искусственными волнами, но этот особенный. Дело в контроле: здесь можно создавать волны строго определённой амплитуды и частоты. Можно попробовать: частота 1 Гц, амплитуда составит 78. Хорошо выставки. Запусти с нуля, пожалуйста! Это самая большая волна, которую мы можем сделать с частотой 1 Гц. Всё упирается в движение и мощность волнопродуктора.
Смотришь, и в этом есть что-то нереальное, очень похоже на океан, но там никогда не увидишь настолько аккуратных, настолько похожих друг на друга. Да, это точно. Одна из базовых характеристик волны — это её длина, расстояние между двумя соседними гребнями. Первое, что люди зачастую узнают о волнах, это что они передают энергию, а вещество при этом остается практически на месте.
В нашем случае волна движется вправо, но молекулы воды просто описывают круг. Чем глубже они находятся, тем этот круг меньше; на глубине он равен примерно половине длины волны. Это движение на этом уровне располагается так называемое основание волны. Но даже в идеальной волне молекулы немного переносятся по направлению её бега. Чем ближе к поверхности, тем быстрее движения.
Поэтому в верхней части круга они успевают продвинуться дальше, чем вернуться назад. Внизу получается продвижение по спирали. Этот бассейн — идеальное место, чтобы наблюдать свойства различных волн. Я попросил Мигеля показать мне волны с разной частотой, но одной амплитуды.
Если мы остановим эту волну, частота изменится. Мы были на 0.6, сейчас будет 0.5, то есть одна волна в 2 секунды. На экране вы видите волны с частотами 0.6705 и 0.33 Гц с одной и той же амплитудой. Два интересных наблюдения: хотя амплитуда одинакова, волны большей частоты кажутся выше, потому что спуск от гребня более резкий.
Второе: частота волны сказывается на её скорости. Чем выше частота волны, тем медленнее она бежит. Если дно находится ниже уровня основания волны, её скорость будет обратно пропорциональна частоте. Мне устроили демонстрацию, которая показывает, как связаны скорости и частота волны. Сначала идут более высокие частоты, за ними ниже и ниже.
Поскольку более частые волны бегут медленнее, волны с более низкой частотой постепенно их нагоняют. Ого, всё рассчитано так, чтобы волны сложились в определённый момент в определённом месте бассейна, и волна обрушилась. Повторять то же самое можно снова и снова, копируя предыдущие волны, поскольку здесь их умеют строго контролировать.
Эта демонстрация хорошо иллюстрирует феномен суперпозиции: когда волны встречаются, высота их общего гребня равна сумме высот гребней в момент наложения. Видно, как сильно увеличивается амплитуда. Отдельные волны были не такие уж большие, но если их объединить, то результат становится очевиден.
С помощью суперпозиции также можно создать стоячие волны. Теперь покажу, как — с помощью двух обычных волн, которые сталкиваются друг с другом. То есть одну пускаем в эту сторону, другую — в эту, и у нас получится стоячие волны. То есть идут две обычные волны. Если присмотреться, увидим узор, как на стёганом одеяле. Кое-где волны сходятся в противофазе, и амплитуда будет нулевая, а где-то сложится, так что она вырастет.
В этом бассейне можно запустить волны со всех сторон сразу, и тогда получится круговой фронт, и вся энергия будет направлена в одну точку. Как здесь говорят, "в яблочко". Сейчас запустим волну "в яблочко". Принцип тот же, но волны идут не прямо, а так, чтобы все сошлись в одной точке. Вот вы видите, как волны идут от длинного борта бассейна, и получается сферическая волна, так же ведет себя волна от короткой стенки.
Они соединяются, получаются волны с барашками, потому что амплитуда больше 1/7 длины волны. Мы пробовали бросить на волну игрушки, чтобы посмотреть, что с ними будет, куда их понесет течение. Пусть, по итогу, вода не так уж заметно перемещается. Уточка плывет за волной, довольно быстро оказывается "в яблочке". Как там дела у нашей уточки сейчас?
Она приближается к опасной зоне, её уносят прямо к центру. Вот-вот пошла вверх, накрыла. Потрясающе ровно там, где мы ожидали. Основная задача здесь, конечно, не в том, чтобы играть с резиновыми уточками и создавать идеальный волн, а в том, чтобы в уменьшенных масштабах воспроизводить разные волны, которые могут встретиться на пути кораблей, когда они уходят в плавание.
Одно судно может стоить миллиарды долларов, и задача исследователей — используя модели, узнать, как различные варианты конструкции поведут себя в реальных условиях. Вот это идет под углом 45 градусов, значимая высота — около 13 см. Если масштабировать до размеров реального корабля, то это около 6 метров. Такие модели мы запускаем по какому-нибудь маршруту, например, по большому кругу или по восьмерке, как в гонках.
Так мы точно знаем, под каким углом идут волны, и можем перенести результаты. Чтобы модель правильно отражала реальную ситуацию, нужно учесть множество деталей. Здесь пресная вода. Да, пресная, то есть неосоленая. Нет, пресная вода в соленой воде плавучесть гораздо лучше. Когда мы просчитываем характеристики модели, мы это учитываем, чтобы результат получился надежный.
Что касается гидромеханики, я думал, нужно сохранять число Рейнольдса таким же, какой наблюдается в аналогичных условиях в реальном мире. Но оказалось, что для получения реальной картины расчеты проводятся на основе числа Фруда. Это соотношение между инерционной силой и силой тяжести. Оно равно скорости потока, делённой на квадратный корень произведения ускорения силы тяжести и характерного размера. Например, длинные корабли, в данном случае модель, в 46 раз меньше корабля.
А значит, чтобы получить точные данные, она должна двигаться со скоростью реального корабля, разделенной на квадратный корень из 46. Кстати, модель в бассейне будет выглядеть как настоящий корабль, если замедлить видео примерно в 6.8 раз. Это корень из 46. Удивительно, насколько похожи получаются. Но в этом и вся суть: если правильно масштабировать модели, волны физика будет идентична реальной ситуации в открытом океане.
Разумеется, я спросил, можно ли в этом бассейне искупаться. Мне очень вежливо ответили: ни в коем случае. Пустили туда только на маленькой шлюпке. Вот наше судно. И еще один момент: как-то очень гладко мы идем. Да, пока мы тут волн не будет. Получается, по волнам здесь никто никогда не плавал? Нет, это очень строго запрещено. Нельзя. Думаю, дело тут в безопасности.
Здесь ощущение, как будто попал... Как сказать... такая большая игровая площадка в каком-то смысле для нас, инженеров, для тех, кто сходит с ума по таким научным штукам, и тому, чем заняты. И какие масштабы. Мне кажется, я не понимал, что такое шестиметровая глубина, пока бассейн не опустошили, чтобы поменять волноводы. Вода заполняет ужасно много пространства.
Сейчас мы подплываем к датчикам. Вот здесь довольно внушительный набор: это ультразвуковые датчики, которыми мы замеряем высоту волны, частоту и направление в резервуаре. Эти измерения нужны, чтобы мы могли точно контролировать все условия экспериментов. В этом бассейне можно воссоздать огромное множество условий, с которыми есть шанс столкнуться в разных частях мира.
Волны в океане чаще всего создают ветер, а самые сильные ветры возникают рядом с ним. На размер и форму волны влияют пять факторов: это скорость ветра, его продолжительность, длина области, которая подверглась его воздействию (её называют разгоном), ширина этой области и глубина воды. Волны распространяются в направлении от бури, и те, у которых частота выше, быстрее растрачивают энергию.
Поэтому длинную дистанцию преодолевают быстрые волны низкой частоты. Они называются... Эти волны проходят сотни километров из отдаленных мест Тихого океана, и рано или поздно зыбь доходит до нас. Ветер дует где-нибудь очень далеко, но энергии может хватить на волны, которые проходят большие расстояния. Отсюда язык в открытом океане. Я, кажется, понял. Это же примерно то же самое, что происходит со звуком. Высокие частоты быстро рассеиваются, преодолевая расстояние от источника, но низкочастотные волны в океане...
Уходишь, например, с концерта, и до тебя какое-то время доносится. Бассейн, высокие частоты уже аналоги верные. Да, а как получаются волны-убийцы? Некоторые думают, что это такая волна-бродяга, что они появляются просто так, из ниоткуда. Но это неправда. Сходятся несколько волн, и амплитуда увеличивается очень сильно.
Высота получается намного больше, чем у любой отдельной волны, и когда это происходит, волна обрушивается, потому что она просто слишком большая. Она физически не может держаться. Спокойные дни можно увидеть, как волны набегают на берег примерно раз в 10 секунд. Это и есть зыбь. Из-за большой длины волны в открытом океане для кораблей не очень опасны, когда идёт низкочастотная зыбь; корабль просто слегка приподнимается.
Гораздо опаснее крутые волны или ветровые волны. Вот они уже бросают из стороны в сторону. Ветровые волны образуются в три этапа. Сначала ветер дует над абсолютно гладкой поверхностью, и из-за турбулентного движения воздуха в некоторых областях давление понижается, в некоторых немного повышается. От этого появляется мелкая волна, до 2 см.
На эти маленькие волны ветер уже может как-то воздействовать. Разница давления с двух сторон от гребня увеличивается, становясь больше. Ветер подгоняет их уже сильнее, разница в давлении растет ещё больше. Сами они примерно одинаковые, но из-за их взаимодействия образуется множество новых волн разной длины. Ветер продолжает дуть. Волны опадают, их кинетическая энергия создает завихрение, которые рассеивают её в виде тепла. Когда этот процесс забирает столько же энергии, сколько поступает от ветра, волны достигают своего максимума.
Это своего рода кульминация в образовании волны. Получается нерегулярная волна. Какая волна нерегулярная? До этого мы видели регулярные с постоянной частотой амплитуду, а здесь получается спектр — много частот, много амплитуд. Можно заметить, что есть частота повыше, и волны идут медленнее, чем с более низкой частотой. Более быстрые волны догонят и накроют более медленные, поэтому кажется, будто они идут и как бы разглаживают воду на пути.
Меня удивило, что в разных океанах и морях встречается разный набор волн по частотам, то есть разные спектры. Всё зависит от расположения и природных явлений, которые там происходят. В Северном море и небольших водоемах волны более узкого спектра. Дело в относительно небольшом разгоне. В среднеатлантической зоне спектр шире. Здесь характерные, свойственные открытому океану, постепенно затухающие волны.
На севере Атлантического океана постоянный ветер приводит к образованию самого широкого спектра ветровых. Приступая к испытаниям, инженеры сперва выясняют, куда корабль отправится, какие волны встречаются в тех местах, и только потом симулируют в бассейне соответствующие условия. Думаю, для большинства людей океан — он и есть океан. Но, по вашим словам, получается, условия в разных областях отличаются.
Когда я был капитаном, там условия были очень суровые. Области вот такой к... стояла в центре комнаты, нас так сильно качала. Дело было то ли в Южно, то ли в Восточно-китайском море. Так вот, однажды я проснулся посреди ночи и понял, что меня вместе с матрасом почти скинуло с кровати, а матрас довольно большой. Не сложно представить, что волны были довольно сильные.
Будь это настоящие волны, я бы испугался. Они безобидно выглядят, но будь они посильнее, модельку бы залила водой. А какая разница, сколько воды попадет на палубу? Ну вот, например, на этом судне сзади вертолетная площадка. Вполне понятно, что когда садится вертолет, воды на палубе быть не должно. Так что это важно.
Поэтому мы устанавливаем камеру на модели, смотрим, сколько воды окажется на палубе. Я понимал, что никто не захочет жертвовать такой моделью и устраивать настоящий шторм. Поэтому привез лодочку на дистанционном управлении. Не хотел бы я на ней оказаться в таких условиях, у людей морская болезнь начинается.
[музыка] Эй, нет, утонула! Да нет! Вот же она, всплыла! Но перевернулась. Но она ушла под воду. Сначала подскочила, потом нырнула. Не всеми моделями, которые здесь используют, можно управлять дистанционно. А вот здесь мы проводим испытания, которые требуют дополнительного оборудования, источников питания, каких-то инструментов. Сама модель их не выдержит.
Её мы прицепляем здесь внизу, модель прикрепляется в проеме, вся мобильная лаборатория отправляется в плавание по волнам и тянет модель за собой. Люди строят сюда уже тысяча лет. Неужели до сих пор есть что улучшать? Определенно! Многие считают, что всё, что можно, уже придумали, но начинаешь разбираться, и некоторые сумасбродные идеи оказываются вполне годными.
Мы для этого и нужны. Куда дешевле проводить испытания на моделях, чем строить полноценный корабль, чтобы потом оказалось, что затея не сработала. Через этот бассейн прошли все корабли нашего флота. Либо мы давали свое заключение, либо здесь проводили испытания, но так или иначе каждый корабль ВМФ проверяли здесь.
Кстати, про интересные решения: вот позади вас модель, корабль расширяется кверху. Обычно это не дает судну перевернуться в случае крена, создается противодействие и помогает ему подняться. Но можно сделать наоборот, так, чтобы корабль кверху сужался, и в этом случае такого эффекта эта конструкция иметь не будет.
И зачем тогда нужен такой корабль? Причин для того, чтобы изменить форму довольно много. Например, то, как выглядит корабль над водой, важно для радаров. Этому уделяют много внимания: всегда нужно быть незаметнее, нужно быть быстрее, мощнее. Вот тут много инноваций. А кто-нибудь из моряков знает о том, сколько всего происходит, так сказать, за кулисами? Чем занимаются все эти люди?
Когда я служил во флоте, а я там провел 27 лет, я и понятия не имел о том, что существует такое место и такие специалисты. Но можно сказать наверняка, что они приложили руку к каждому кораблю и каждой подводной лодке нашего флота.