Що таке солітон

Дослідників і експерти з безпеки в морі поділяють хвилі великої амплітуди на звичайні і хвилі-вбивці. Звичайні екстремальні хвилі не є проблемою, оскільки їх вірогідність передбачувана. Загальноприйняті стандарти безпеки допускають перевищення розрахункових навантажень один раз в двадцять п'ять років для морських кораблів і суден і один раз в сто років для морських споруд. Разом з тим спостереження і експерименти показують, що ймовірність появи хвиль-убивць може бути значно вище.
Тому пропонується переглянути маємо критерії безпеки кораблів, суден і морських споруд. Такі критерії неможливо отримати методом спостережень так як, людство не має в своєму розпорядженні експериментальними записами видів морських хвиль тривалістю в тисячу років. Основою можуть служити або математичні моделі, або інші методи спостережень хвиль-убивць, наприклад супутникові, які дозволять отримувати дані високої якості на великих акваторіях.
У 1834 році талановитому шотландському фізику і інженеру-винахіднику Скотту Расселу запропонували досліджувати можливості навігації парових судів, що йдуть по каналу між і Глазго і Едінбургом. Тоді перевезення здійснювалися легкими баржами, які тягнули коня. Рассел спостерігав за баржами різних форм, що йдуть з різними швидкостями. І несподівано зіткнувся з незвичайним явищем, яке і описав пізніше в своєму «Доповіді про хвилях».
Одного разу в 1834 році він спостерігав за рухом баржі, яку тягнула пара коней по вузькому каналу, баржа раптово зупинилася, але біля носа баржі скупчилася велика кількість води, яке, перетворившись в хвилю, рушило вперед з наростаючою швидкістю. Рассел пішов за хвилею верхом. Хвиля тим часом перетворилася в холмообразние водяне освіту, яке продовжувало шлях уздовж каналу, зберігаючи свою форму і швидкість. На думку С. Рассела хвиля переміщалася зі швидкістю близько 9 миль на годину, зберігаючи свій первісний вигляд і форму: довжиною близько 30 футів і висотою 1-1,5 фути. Хвиля потроху зменшувалася, і після 1-2 миль погоні він втратив його з поля зору в вигинах каналу.
Через тринадцять років після смерті С. Рассела в 1895 році, голландські вчені Дідерик Иоханнес Кортевега і Густав де Фриз знайшли точне рівняння, за допомогою якого повністю описали відбуваються хвильові процеси. Так з'явився новий вид хвилі-вбивці, який отримав назву солітон.
Уявімо собі, що на водній поверхні утворився невеликий горбик, який почав переміщатися. Якщо дисперсію не брати до уваги, з огляду на те, що швидкість нелінійних хвиль пов'язана з амплітудою (у лінійних хвиль - не пов'язана), швидше за всіх буде рухатися вершина хвилі. У якийсь момент передній фронт цього горбика стане крутіше. Крутизна фронту з часом наростає і в певний момент хвиля перекинеться.
Таке перекидання хвилі ми бачимо, спостерігаючи за морським прибоєм. З урахуванням дисперсії ситуація буде виглядати інакше. Спочатку горбик буде являти собою суму складових хвиль з різними їх довжинами синусоїдального вигляду. Довгохвильові складові будуть переміщатися з набагато більшою швидкістю, ніж короткохвильові, тим самим, зменшуючи крутизну переднього фронту і значно вирівнюючи його. При певній формі та швидкості такої хвилі може наступити повне відновлення її початкової форми. Так утворюється солітон.
Солітони мають ряд унікальних властивостей. Наприклад, їх фізичні властивості багато в чому схожі з властивостями частинок, тому при зіткненні двох солітонів вони не проходять один крізь інший як лінійні хвилі, а відштовхуються і розходяться в різні боки, демонструючи ефект тенісних м'ячів.
На водній поверхні можуть виникати і групові солітони, так як їх форма схожа з групами хвиль, зазвичай спостерігаються замість нескінченної єдиної хвилі синусоїдального вигляду, які з груповою швидкістю. Такий солітон нагадує електромагнітні хвилі, модульовані по амплітуді і частоті. Швидкість групового солітону від амплітуди не залежить, а в групі зазвичай знаходиться від 14 до 20 хвиль. Середня і найвища - хвиля в групі зазвичай виявляється, в інтервалі від сьомої до десятої; тому, і з'явився вираз «дев'ятий вал».
Таким чином, солітон викликаний нелинейностью гідродинамічних явищ, тобто може бути породжений самої рідким середовищем при дотриманні ряду умов. Але зі сказаного не випливає, що природа гідродинаміки - єдина причина народження хвиль-убивць? Якби це було так, вони були б досить рівномірно розподілені по всій поверхні Світового океану. Але спостереження показують, що у цих хвиль є свої «улюблені» місця народження.