Twoja wyszukiwarka

ROBERT HOŁYST ALINA CIACH
OLIWA I FALE
Wiedza i Życie nr 7/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 7/2000

Jak głosi marynarska legenda, wiele statków przetrwało sztorm, bo załoga wylewała oliwę na spienione morze. Czy w ten sposób rzeczywiście można walczyć z żywiołem?

W książce Juliusza Verne'a załoga statku "Duncan", na którym dzieci kapitana Granta poszukują zaginionego ojca, wpada w tarapaty podczas sztormu. Aby ukryć się w spokojnej zatoce, muszą przebyć wzburzoną wodę w przesmyku dzielącym lagunę od morza. Wtedy to kapitan statku wpada na wspaniały pomysł: "Czy istnieje jakiś sposób, który mógłby złagodzić wściekłość piętrzących się wód, słowem uspokoić morze. Oliwa! zawołał. Chłopcy, wylać oliwę! Wylać oliwę!... Przechylono beczułki i z ich wnętrza popłynęły strumienie oliwy. Tłuszcz błyskawicznie wygładził skłębioną powierzchnię morza. "Duncan" pomknął jak strzała po spokojnej toni i wkrótce znalazł się w cichej zatoce, z dala od piaszczystych ławic"1.

Czy w ten sposób można uspokoić morze? Takie pytanie zadał na egzaminie magisterskim w Szkole Nauk Ścisłych prof. Łukasz Turski. I trzeba rzec, że zabił studentom nie lada ćwieka. Spójrzmy na to z punktu widzenia energii fal. Wał wody o długości 20 m (przybliżona długość statku), wysokości 3 m i szerokości 3 m ma masę 180 t. Czy można zatrzymać taką masę wody, która przesuwa się z prędkością 10 km na godzinę względem statku, za pomocą rozlanej oliwy? Aby ją powstrzymać, należałoby odebrać wodzie niesioną przez nią energię. A energia kinetyczna takiego wału wodnego jest równa energii kinetycznej samochodu ciężarowego o masie kilkunastu ton, jadącego z prędkością 130 km na godzinę. Kiedy patrzyliśmy na liczby, wydało nam się, że marynarska tradycja lania oleju na wzburzone morze nie ma po prostu sensu, ponieważ w ten sposób nie można uspokoić morza. Okazało się jednak, iż metoda ta ma swój głęboki sens, choć nie taki, jak w książce Juliusza Verne'a.

Zanalizujmy to zjawisko dokładniej. Uspokojenie morza oznacza wytłumienie fal wskutek rozproszenia ich energii. Oznacza to, że amplituda (wysokość) fali zmniejsza się. Jeśli tłumienie (stosunek zmian energii fali w jednostce czasu do tej energii) jest duże, to w czasie jednego uniesienia fali do góry (okresu fali) jej amplituda zostanie znacznie zmniejszona (np. kilka razy). Taka fala praktycznie nie powstanie, bo szybciej gaśnie, niż się tworzy. Mówimy w takim przypadku o fali przetłumionej.

Zadajmy sobie następujące pytanie: Jakie fale można szybko wytłumić? Oczywiście, te o najmniejszej długości. Wynika to z rozważań zamieszczonych w ramce obok. Cienka warstwa oliwy na powierzchni wody nie jest w stanie wytłumić dużych fal w krótkim czasie, gdyż lepkość zmienia się tylko w warstwie powierzchniowej. Znakomicie i szybko (w ciągu sekund) tłumi natomiast fale o długości i amplitudzie od kilku milimetrów do kilku centymetrów. Oczywiście, wzór na tłumienie (podany w ramce) jest słuszny i dla długich fal, ale dzieje się to zbyt wolno, by dało się zaobserwować w czasie, gdy oliwa rozlewa się, tworząc coraz cieńszą warstwę, zaś wiatr nadal wieje i na nowo dostarcza falom energię.

Efekt szybkiego (zachodzącego w ciągu sekund) tłumienia fal krótkich jest następujący: powierzchnia wody wokół statku nagle staje się gładsza. Woda nie jest już spieniona, bo nie ma fal krótkich, z których powstaje piana. Przy tworzeniu piany wiatr odgrywa taką rolę, jak ręka, która energiczne miesza wodę z proszkiem do prania albo jak usta wydmuchujące powietrze przy zabawie w bańki mydlane.

Jak wiadomo, znacznie łatwiej tworzyć bańki po dodaniu mydła (lub podobnej substancji). Dzieje się tak dlatego, że zmniejsza się wówczas napięcie powierzchniowe i proporcjonalnie mniej energii potrzeba do wytworzenia bańki o takiej samej powierzchni.

Tymczasem napięcie powierzchniowe wody pokrytej warstwą oleju zwiększa się. Tak więc nie dość, że krótkie fale zostają błyskawicznie wytłumione, to w dodatku nowa piana nie powstaje już tak łatwo. Za to z dala od statku, gdzie nie sięga oliwa, widać potężnie spienione, bryzgające pianą bałwany. Morze wokół statku nie zostało wcale uspokojone, gdyż duże i groźne fale nie straciły nic ze swego impetu, ale w oczach marynarza pozornie uspokoiło się po polaniu oliwą, gdyż nagle blisko statku znikła biała piana, a wysokie, groźne fale stają się słabo widoczne na tle wody o tej samej barwie. Rzekome uspokojenie morza miało niewątpliwie wielki wpływ na morale marynarzy i pewnie dlatego kapitanowie kazali lać oliwę na wodę w czasie sztormu. Wiadomo, że człowiek sparaliżowany strachem nie zrobi nic, nawet gdy los statku jest w jego rękach. I tak od fizyki doszliśmy do psychologii; no cóż, nauka jest jedna.

Tłumienie fal

Ilustracja ruchu cząsteczek wody w trakcie tworzenia się i ruchu fali (strzałkami zaznaczono schematycznie prędkości cząsteczek)

W dolinach fal cząsteczki wody średnio przesuwają się w dół, a na grzbietach do góry. Ruch w dół i do góry jest "uporządkowany", ale cząsteczki również "chaotycznie" poruszają się na boki. Jeśli cząsteczka poruszająca się w danej chwili do góry przeskoczy na "pas ruchu" cząsteczek poruszających się w dół, to zderzając się z nimi, spowolni je (podobnie jak to ma miejsce przy czołowym zderzeniu dwóch samochodów). Tak powstaje zjawisko lepkości i w konsekwencji tłumienie drgań fali. Warto podkreślić, że fala na morzu ma tym większą amplitudę, im większa jest jej długość. Dlatego też łatwiej tłumić fale o małej długości (a tym samym o małej amplitudzie)

Czas tłumienia fali o długości drgającej na powierzchni cieczy o gęstości i lepkości jest dany następującym wzorem: T 0.0127 ( 2)/. Zastanówmy się, ile czasu zajmie wytłumienie fali o długości 1 m. Dla wody mamy =1 g/cm3, =0.01 g/(cm x s). Po wstawieniu do wzoru dostaniemy czas tłumienia sięgający kilku godzin. Tłumaczy to zjawisko martwej fali, polegające na tym, że po ustaniu wiatru jeszcze przez kilka godzin fala utrzymuje się na wodzie. Powodem jest to, że lepkość wody jest mała i stąd tłumienie słabe. Co daje polanie wody oliwą? Przede wszystkim zmianę współczynnika lepkości . Dla oleju rzepakowego w temperaturze 10° C mamy = 3.85 g/(cm x s), czyli 385 razy większą lepkość niż dla wody. Oznacza to, że czas wytłumienia fali w oleju rzepakowym jest 385 razy krótszy niż w wodzie.

1Tłumaczenie Izabeli Rogozińskiej, Nasza Księgarnia 1982.

Prof. dr hab. ROBERT HOŁYST i dr hab. ALINA CIACH pracują w Instytucie Chemii Fizycznej PAN.