Повелитель цунамі: анатомія цунамі
Вчені сподіваються краще вивчити механізм дії цунамі - одиночних руйнівних хвиль, що загрожують жителям океанського узбережжя. Для цього вони намагаються штучно відтворити подібні хвилі в лабораторних умовах.
Цунамі - довгі поодинокі хвилі - виникають головним чином в результаті тектонічних зрушень на дні океану. Сучасна наука ще не навчилася точно прогнозувати час і місце їх виникнення. 80% цунамі виникають на периферії Тихого океану. Японські вчені першими стали думати про вивчення цього руйнівного явища в лабораторних умовах. В Австралії, Англії, США теж з'явилися наукові лабораторії, що моделюють штучне цунамі з метою вивчення механізмів його дії і можливості передбачення.
Анатомія штучного цунамі
Хвилі формуються в стометровому каналі глибиною 5 метрів. Він заповнений тисячею тонн чистої води. Дно цього басейну плоске, але в кінці каналу починається підйом, який закінчується коротким плато. Профіль цього, підібраний в експериментальному порядку, відповідає типовому океанського узбережжя. У такій ситуації хвилі, виходячи на мілководді, набирають висоту, а потім обрушуються. Ця експериментальна установка дозволяє досліджувати як звичайні періодичні хвилі, що представляють собою низку гребенів і западин, так і хвилі типу «цунамі», які генерують в одиночному порядку. Тут показано, як в цій установці формується одиночна хвиля цунамі. Сталевий волнообразующій щит зсувається вперед зі швидкістю 4 м / с і формує хвилю висотою майже півтора метра і з профілем у вигляді дзвону. Ця хвиля рухається вперед по каналу в тій його частині, де дно розташоване горизонтально. На цій ділянці імітується рух цунамі у відкритому океані, і хвиля лине зі швидкістю 5 м / с. Далі це «міні-цунамі» досягає зони, де дно плавно йде нагору. Тут висота хвилі трохи збільшується, а її гребінь починає хилитися вперед. І ось висота хвилі стає приблизно дорівнює відстані до дна (це фінальне плато в кінці хвильового басейну, що імітує піщану мілину, характерну для океанського узбережжя). Тут хвиля починає критикувати, формуючи вертикальну стіну з води. Цей киплячий вал врізається в берегові конструкції, створюючи сплеск висотою метрів шість. Тепер пройде ще 10 секунд, поки вся вода не повернеться назад в басейн.
Більше половини населення США проживає в 80-кілометровій смузі вздовж океанського узбережжя, а ці місця завжди знаходяться під загрозою ураганів, цунамі та інших пов'язаних з погодою напастей. Вчені Лабораторії вивчення хвиль ім. Хінсдейл Орегонського університету вважають, що людські життя, так само як і майно, розташоване вздовж океанського узбережжя, можна захистити за допомогою інженерних рішень. Для випробування цих рішень Лабораторія має гігантським генератором цунамі. Це канал довжиною 100 м, заповнений 1000 т води. В одному з його кінців встановлений волногенераторний поршень з гідроприводом, що дозволяє імітувати хвилі, що виникають в природі. Прокотившись уздовж всього каналу, хвилі обрушуються на моли, відтворені майже в натуральну величину. Ден Кокс, керівник лабораторії, пояснює: «Якщо ми повалимо його на який-небудь об'єкт, результати руйнувань будуть зовсім не такими, як у реальному житті. Проте дані після перерахунку цілком можна використовувати для проектування нових будівель та інших конструкцій ». «У нашій лабораторії ми намагаємося відтворити точно такі ж хвилі, які бувають в природі, - каже Джон Буші з компанії MTS Systems, яка розробляла експериментальну установку. - Пускати їх складніше, ніж ті, що ми бачимо в хвильових басейнах звичайних аквапарків ».
Хвильовий генератор в лабораторії OSU може створювати як періодичні, так і поодинокі хвилі.
Сервокомпьютери
Керують хвильовим генератором за допомогою спеціального сервокомпьютера. Він використовується для настройки амплітуди і частоти в рухах волногенерірущего щита. Завдяки цій електроніці можна порушувати не тільки прості синусоїдальні, а й складні нелінійні хвилі, які зазвичай спостерігаються в природі. Комп'ютер з'єднаний з двома сервоклапанів хвильового генератора, які дозволяють задавати кількість рідини, що надходить в гідроциліндри. Для моделювання спокійній періодичної океанської брижах волнообразующій щит встановлюється в центральне положення і щодо нього ритмічно розгойдується взад-вперед. Для імітації цунамі цей щит спочатку відводиться назад до межі, а потім різко до межі висувається. Він досягає швидкості в 4 м / с і зупиняється, виконавши чотириметровий шлях. В результаті в каналі утворюється одиночна хвиля колоколообразного профілю.
гідравліка
Після того як дослідники поставили за допомогою комп'ютера потрібні параметри хвилі, два сервоклапани повинні привести в дію весь гідравлічний механізм. Для формування хвиль заданого профілю один з сервоклапанів регулює потік рідини всередину і назовні для двох гідравлічних циліндро-поршневих механізмів - один подає волнообразующій щит вперед, другий - назад. Третій гидроцилиндр врівноважує тиск води з боку хвильового каналу. Для того щоб створити аналог цунамі, необхідна вся потужність волногенератора, і тоді дослідники включають в роботу обидва клапана, проганяючи через них 3 т рідини в хвилину.
Волнообразующій щит (поршень)
У колишньої моделі волногенератора волнообразующій щит був закріплений нижньою кромкою на дні басейну і повертався на петлях, так що його верхня частина могла ходити вперед-назад, імітуючи періодичні хвилі, які розганяє вітер у відкритому океані. Якщо ж нам потрібно зімітувати цунамі хоча б заввишки в 1,5 м, буде потрібно одночасно зрушити досить велику масу води. Для цього дослідники встановили, що рухається як єдине ціле сталевий щит, зібраний за допомогою зварювання і болтів. Висота цього щита становить 5 м, а ширина - 4 м.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2010 ).