סוד הגל הנעלם

"לאורך הים, אין גלים יש עולם, שנשבר לרסיסים על המזח", שרה עפרה חזה. למען האמת, הגלים לרוב אינם נשברים על המזח – אלא על שוברי גלים, שמטרתם לרכך את פגיעת הגל בחוף או בנמל, אבל לא ניתן לזה לקלקל את השיר המרגש.

בעולם האמיתי, בעיית הגלים והנזקים שהם עלולים לגרום בנמלים, תחנות כוח, מתקני חוף ותשתיות אחרות, מעסיקה לא מעט חוקרים. בין השאר הם מחפשים תשובה לשאלה אם אפשר להנדס את שובר הגלים המושלם, כזה שלא רק ירכך את הגלים, אלא ממש יעלים אותם כבמטה קסם?

על כך מנסה לענות מאמר חדש בכתב העת Physical Review Letters שכבר הכה גלים בקהילת הפיזיקה וההנדסה. החוקרים, מאוניברסיטאות בבריטניה ובצרפת, מציעים מערך ראשון מסוגו שיאפשר אולי לבנות שובר גלים מושלם.

האם אפשר להשקיט אותם רק באמצעות עיצוב אחר של שובר הגלים? גלים מתנפצים אל החוף באנגלסי שבצפון וויילס | צילום: Gail Johnson, Shutterstock

קורס מזורז בגלים

גלי מים, כמו כל הגלים, הם תופעה מחזורית המאופיינת על ידי מהירות התקדמות, תדירות ועוצמה. מהירות ההתקדמות של גל תלויה בחומר שהגל מתקדם בתוכו, לכן כל גלי המים מתקדמים באותה מהירות. במהירות קבועה, תדירות הגל תלויה באורך הגל, כלומר במרחק בין שני שיאים סמוכים שלו. העוצמה קשורה לגובה הגלים. האנרגיה של הגל משפיעה גם על התדירות וגם על העוצמה, כלומר ככל שלגלים יש יותר אנרגיה, הם יהיו גבוהים יותר, ויפגעו בחוף (או במה שעומד בדרכם) בתכיפות רבה יותר. 

במכניקת גלים נהוג לשאול "מה קורה לגל כאשר הוא פוגע במחסום?". התשובה מורכבת וקשורה לגובה המחסום ביחס לגובה הגל, לתדירות הגל, וגם להבדל בין תווך ההתקדמות שנמצא לפני המחסום ומעבר לו. גורמים אלה משפיעים על ההעברה וההחזרה של הגל בעת הפגיעה במחסום. סך האנרגיה של הגל לפני הפגיעה במחסום ואחריה חייב להישמר, לכן אם הגל מתפצל לשניים, חלקו עובר דרך המחסום או מסביבו, וחלקו מוזר ממנו, האנרגיה של הגל המועבר והגל המוחזר נמוכות כל אחת מהאנרגיה של הגל המקורי.

תדירות הגלים תלויה באורך הגל, העוצמה קשורה לגובה הגלים. מאפיינים גלים הקשורים גם להשפעתם של גלי הים | איור: Designua, Shutterstock

מלבד העברה והחזרה, תופעה נוספת שיכולה להתרחש היא בליעה, שמשמעה ספיגה חלקית או מלאה של הגל בחומר שהוא פוגע בו. האנרגיה של הגל, או חלק ממנה, מומרת במקרה זה לאנרגיה מסוג אחר, למשל אנרגיית חום. בליעה מוחלטת פירושה שאין העברה ואין החזרה של הגל מפני המחסום – הוא פשוט נעלם כלא היה בנקודה מסוימת. בגלי מים, המשמעות היא בליעה של האנרגיה והפיכת המים הסוערים למים שקטים. 

החוקרים קיבלו השראה ממאמר מתמטי שטען כי ניתן למצוא קונפיגורציה של מחסום שתביא לבליעה מוחלטת של גל מתקדם, אם ייבנה חלל תהודה קטן בדופן הבריכה שבה הגלים מתקדמים. הנדסה נכונה של החלל הזה תאפשר לגל הראשי שמתקדם לידו לעורר בו גלים קטנים שיתקדמו מיד לעבר הגל הראשי ויבטלו אותו, תוך שימוש בתופעת הבליעה. חשוב להדגיש שלא הקיר בולע את הגל הראשי, אלא הגל הראשי הוא זה שבולע את הגלים המוחזרים מחלל התהודה.

רעיון בהשראת מכניקת הקוונטים. הדמיה של חלל התהודה הכפול המשקיט את הגלים בבריכה | מקור: Léo-Paul Euvé, Université PSL, Sorbonne Université

השראה קוונטית

החוקרים תכננו לפי התיאוריה את המבנה של חלל התהודה, שבנוי כשני תאים קטנים סמוכים בדופן הבריכה, בגודל שונה, שהפתח שלהם ניצב לכיוון ההתקדמות של הגל בבריכה. הרעיון המוביל שאול ממכניקת הקוונטים ומספקטרוסקופיה אטומית: אפקט אוטלר-טאונס (Autler-Townes Effect), הידוע גם כאפקט שטארק החילופי (AC Stark Effect).  

האפקט הזה קשור עמוקות לתופעת הבליעה, ומתרחש כאשר שדה חשמלי פוגע באטומים.  האנרגיה שהשדה נושא מתאימה למעברים האנרגטיים בחומר. במצב כזה, האנרגיה שלו נבלעת בחומר ומעבירה את האטומים ממצב בעל אנרגיה נמוכה למצב בעל אנרגיה גבוהה יותר.

בעבר כבר נמצאה אנלוגיה מכנית קלאסית לאפקט הזה. במונחי המערכת שלנו – המים הם האטומים, המעבר האנרגטי שאנחנו מעוניינים ליצור הוא ממצב גבוה למצב נמוך, ואת תפקידו של השדה החשמלי ממלאים הגלים שנוצרים בחלל התהודה הכפול  הקטן, ומבטלים את הגל המקורי.

חשוב לזכור שהניסוי נעשה בתנאי מעבדה. במציאות הגלים מגיעים מכיוונים שונים ובעוצמות שונות, והאתגר מורכב הרבה יותר. סערה בנמל ליפחה, לטביה | צילום: Zigmunds Dizgalvis, Shutterstock

מתיאוריה לניסיון

כהוכחת היתכנות, בנו החוקרים מערך ניסוי ממוחשב שבו הגלים מתקדמים בבריכה מוארכת על פי  משוואת הגלים, שמוכרת למדע עוד מאמצע המאה ה-18. בהדמיה השתמשו בנתוני תדירות ועוצמה שמתאימים לגלים הנוצרים ממשבי רוח בים. 

בצמוד לבריכה הווירטואלית נבנו שני התאים הקטנים, וכאשר הגל חלף לידם, נוצרו בהם גלים בכיוון הניצב לכיוון התקדמות הגל הראשי. הגלים הקטנים פגשו את הגל הראשי וביטלו אותו לגמרי. הרף עין לאחר מיקום התאים – לא נותר זכר לגל המקורי, כלומר לא התרחשו כלל תופעת ההעברה וההחזרה אשר קיימות בעת שגל פוגע במחסום.

בהמשך הם בנו את הניסוי בבריכת גלים אמיתית, ושם גילו שבמציאות יש חריגות קלות מהתיאוריה, כמו השפעות של חיכוך, שלא נלקחו בחשבון בהדמיה הממוחשבת. בתהליך של ניסוי וטעיה הם הצליחו להתגבר על החריגות ולייצר בליעה מוחלטת גם במעבדת הגלים. 

לצד השמחה על ההצלחה הראשונית, חשוב לזכור כי המערכת המוצעת מוגבלת למדי, ומהווה מעין ניסוי בתנאי "בית מרקחת" סטרילי, שבו הגלים מתקדמים בכיוון יחיד, לאורך קיר. כך שלמרות הניסויים המבטיחים, יש מרחק רב מכאן ועד ליישום העקרונות במערכת מציאותית, שבה גלי ים מגיעים אל החוף בעוצמות שונות, בתדירויות שונות, ומכיוונים שונים. 

עם זאת, המחקר מלמד שגם הבעיה הזו עשויה להיות פתירה בעזרת תכנון חכם. כמו שאומרים: כשהגלים מתחזקים – החזקים (בפיזיקה ובהנדסה) מתגלים.