Ruch falowy
Najtrudniejsze zadanie leży jeszcze przed nami. Ponieważ jednak możliwość wykonania trudnej pracy zależy najbardziej od dobrej woli, proszę więc o przygotowanie się do pracy, która na nas czeka.
W najdawniejszych pismach starożytnych znajdujemy wzmianki, że powietrze przenosi dźwięk. Pogląd ten wygłasza Arystoteles, a wielki architekta Witruwiusz porównywa fale dźwiękowe z falami wody. Lecz istotny mechanizm ruchu falowego pozostał ukryty przed starożytnymi, i poznano go dopiero za czasów Newton’a. Największa trudność polegała na odróżnieniu ruchu samej fali od ruchu cząsteczek, tworzących w każdej chwili falę.
Stańmy na brzegu morza i przyglądajmy się nadchodzącym bałwanom, zanim zniszczy je tarcie o dno. Każdy z nich ma stronę przednią i tylną, i jeżeli zupełnie wyraźnie uchwycimy obraz poruszającej się fali, to dojrzymy, że każda cząsteczka wody na przedniej stronie wznosi się w górę, na tylnej natomiast opada na dół. Cząsteczki na przedniej stronie fali dochodzą kolejno do jej szczytu, a następnie poczynają opadać i dochodzą do spodu czyli załomu fali, po czym dalej już opadać nie
mogą. Bezpośrednio po tern stanowić one będą znowu stronę przednią następnej fali: wznoszą się do jej szczytu i opadają, jak poprzednio. W taki więc sposób, podczas gdy bałwan posuwa się naprzód w kierunku poziomym, cząsteczki pojedyncze poruszają się pionowym do góry i na dół. Przyjrzyjmy się płynącej mewie, lub, jeżeli umiemy pływać, oddajmy się sami na łaskę fali; nie będziemy unoszeni naprzód, lecz tylko kołysani do góry i na dół. Rozchodzenie się fali polega na przenoszeniu pewnej postaci ruchu nie zaś substancji, tworzącej falę.
Długość fali jest to odległość od jednego szczytu do sąsiedniego, natomiast przestrzeń, na której wykonywa wahania każda pojedyncza cząsteczka, zowie się obszernością wahań. Zapamiętajmy, że w opisie powyższym cząsteczki wody drgały prostopadle (poprzecznie) względem kierunku rozchodzenia się falii.
Zróbmy krok naprzód, i to krok najważniejszy. Możemy wystawić sobie dwa szeregi fal, poruszających się z różnych źródeł po tej samej powierzchni wody. Jeżeli, na przykład, rzucimy dwa kamienie na spokojną powierzchnię wody, to pierścienie falowe, rozchodzące się z obu punktów środkowych wstrząśnienia, przetną się. Bez względu na to, ile takich fal będzie, zachowa moc swoją, prawo, że ruch każdej pojedynczej cząsteczki wody stanowi sumę algebraiczną wszystkich ruchów jej udzielonych. Jeżeli góra schodzi się z górą i dół z dołem, wówczas bałwan wznosi się na wysokość podwójną ponad miejsce najniższe; lecz gdy dół trafia na górę, wtedy ruchy są sobie przeciwne, i w sumie dają zero. Wówczas otrzymujemy spokojną wodę. To działanie fali na falę zowie się technicznie interferencją, wyraz, który zapamiętać należy.
Dla oka osób obznajmionych z tymi zasadami niema zjawiska ciekawszego nad krzyżowanie się fal wodnych. Dzięki ich interferencji powierzchnia wody tworzy niekiedy nader piękną mozaikę, drgającą rytmicznie, jak gdyby coś w rodzaju widzialnej muzyki. Skoro wytworzymy umiejętnie fale w plaskiem okrągłym naczyniu z rtęcią, wówczas mocne światło rzucone na tę błyszczącą powierzchnię i odbite stamtąd na ekran uwydatni ruchy płynnego metalu. Kształt utworzonych figur zależy od kształtu naczynia. W naczyniu okrągłym, na przykład, wstrząśnienie, sprawione we środku, rozchodzi się jako szereg fal w kształcie koła, spotykających się znów we środku po odbiciu od brzegów. Gdy punkt wstrząśnień leży cokolwiek z boku od środka, wówczas interferencja fal pierwotnych i odbitych sprawia wspaniały obraz.
Światło odbite od takiej powierzchni daje wzory nadzwyczajnej piękności. Jeżeli z lekka dotkniemy rtęci ostrzem igły w punkcie na linii współśrodkowej z powierzchnią naczynia, linie świetlne przebiegają zawikłaną siecią, plącząc się i rozplątując w sposób zadziwiający. W naczyniu czworokątnym przez krzyżowanie się fal pierwotnych i odbitych powstaje piękna kanwa. Tak więc w przypadku ruchu falowego przyczyny najprostsze sprawiają wspaniałe skutki.
Najwyraźniejsze przedstawienie działania fał na fale, jakie kiedykolwiek widziałem, zachodzi w pobliżu Niagary. Na odległości dwóch mil, mniej więcej, poniżej wodospadu, nurt Niagary płynie spokojnie swym korytem wyżłobionym. Stopniowo koryto się zwęża, i woda przyśpiesza ruchu. Około miejsca zwanego „Whirlpool Rapids” (bystre wiry) oceniłem szerokość rzeki na 300 stóp, co mi potwierdzili tamtejsi mieszkańcy. Jeżeli zważymy, że prawie z połowy lądu na tej przestrzeni skupiają się opady wodne, to możemy wystawić sobie, z jaką gwałtownością nurt toczy się przez to łożysko.
Oczywiście dwa rodzaje ruchu są tu czynne, przenoszący (postępowy) i falowy, szybki bieg przez cieśninę i potężne fale, powstające przy jego spotkaniu z przeszkodami po drodze. Po środku strumienia prąd i wstrząśnienia są najmocniejsze; w każdym razie gwałtowna sita fal pojedynczych występuje tu najwyraźniej. Olbrzymie piramidalne masy wyskakują nieprzerwanie z potoku, niektóre z taką energią, że wyrzucają w powietrze swe wierzchołki, gdzie pozostają w zawieszeniu jako pasma płynnych pereł, nieopisanie pięknych, w oświetleniu słonecznym.
Pierwsze wrażenie wraz z pobieżnym objaśnieniem tych wirów każą przypuszczać, że środek łożyska rzeki pokrywają wielkie głazy, i że uderzanie, wstrząśnienia i dzikie wypryskiwanie w górę wody zależą od potrącania o te przeszkody. Przyszło mi jednak do głowy natychmiast objaśnienie wcale inne.
Łomy kamieni z pobliskich skał zalegają, jak to widać od razu, brzegi rzeki. Ku nim woda wznosi się i opada w rytmie wściekłym, i w taki sposób wytwarzają się wielkie fale. Przy każdym powstawaniu bałwanu natychmiast zachodzi zespolenie ruchu fałowego z ruchem potoku. Bruzdy, które w wodzie spokojnej rozchodziłyby się liniami kołowymi dokoła środka wstrząśnień, przecinają rzekę ukośnie, i w rezultacie tego bałwany, które powstały istotnie przy brzegach, spotykają się na środku. To krzyżowanie się fał można na małą skalę oglądać w każdej rynnie od deszczu; nawet widzieć wprost przy wylewaniu wody z dzbanka z szerokim dziobem. Gdzie krzyżują się góra i dolina, tam fala niszczy się; gdzie się dolina z doliną spotykają, tam rzeka wyżłabia bruzdę do większej głębokości, gdzie góra dopomaga górze, mamy to zadziwiające unoszenie się wody w górę i przemożenie spójności wierzchołków, które pękają i rozlatują się w powietrze.
Zjawiska, dostrzegane na „Whirlpool Rapids“, dają istotnie jeden z najwspanialszych obrazów interferencji fal.