השאלה המקורית: מה גורמים גלים קטנים (Ripple) שנוצרים באגם כתוצאה מזריקת חפץ כלשהו? האם הם מחוללים שינוי במים? האם הם משפיעים על המים גם באזור מרוחק יותר? ומה קורה כשתנועתם פוסקת?
קורין


גל מעגלי קטן באגם | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; צולמה בידי Roger McLassus

שלום קורין!

מים הם עניין מאוד מסובך, ולכן נתמקד, כפי ששאלת, בגלים קטנים.

אם ניקח אגם שפניו חלקים לגמרי ובנקודה מסוימת נעוות את פני המים, למשל כלפי מטה, עשינו למעשה שני דברים – הגדלנו את שטח הפנים של המים, כיוון שעכשיו יש לנו גבעה ועמק בצידה, ומתח הפנים של המים ינסה להתנגד לשינוי הזה. גם כוח המשיכה ינסה להחזיר את המצב לקדמותו, כיוון שתהיה לנו גבעה של מים, שאינה מצב טבעי.

גם תנועת המים מסובכת, כיוון שפני המים אמנם נעים מעלה ומטה אבל כשפני המים עולים, זה אומר שיש יותר מים בנקודה הזו מאשר בנקודה שלידה. ולכן חייבת להיות גם תנועה של מים (מתחת לפני המים) מצד לצד.


תנועת המים בגל גדול | התרשים לקוח מוויקיפדיה; נוצר בידי E.Zimbres

ככל שהגלים קטנים יותר, כלומר שהשינוי בגובה פני המים קטן יותר, כך השפעת כח המשיכה, שתלויה במסת (ולכן בנפח) המים, זניחה ביחס למתח הפנים, התלוי בשטח פני הנוזל, הבדל הנובע מהיחס בין הנפח לשטח הפנים. אנו נתמקד בגלים קטנים בהם ניתן להניח שמתח הפנים הוא הגורם העיקרי.

נתמקד במולקולת מים אחת. המולקולה הזאת הייתה "מרוצה" מאוד עם חברותיה על פני השטח. עכשיו מישהו הזיז אותה כלפי מטה, ובלית ברירה היא זזה. בעקבות זאת שטח הפנים גדל, והמים אינם "מרוצים" – הם דוחפים את המולקולה שוב כלפי מעלה. אבל אז היא  עולה יותר מדי ושוב התהליך חוזר על עצמו. המולקולה שלנו תתנודד מעלה מטה בתדירות אופיינית, בדומה לקפיץ שהוצא משיווי המשקל.

אבל זה לא כל הסיפור. שלא כמו הקפיץ, המולקולה שלנו אינה לבד. היא מחוברת לעוד מולקולות סמוכות, כך שאם היא עולה הן עולות איתה ולהפך. החיבור המסובך הזה יוצר גל, כך שהמולקולה שלנו שהתחילה את כל הסיפור גורמת למולקולות שסביבה לבצע את אותה תנועה, והן משפיעות בתורן על המולקולות שלידן, עד שנוצר לנו גל מעגלי.

כיוון שהמולקולה שלנו מזיזה הרבה מולקולות, הן ינועו במשרעת קטנה יותר והגל יקטן ככל שנתרחק מהמרכז. להלכה, המשרעת תקטן ותקטן ולעולם לא תתאפס ולכן נראה גלים עד אינסוף, אבל בפועל החיכוך והתנועה של המים יאיצו את הדעיכה עד שבמרחק מה כבר לא נראה יותר שום גל.


גל מעגלי | האנימציה לקוחה מוויקיפדיה

אז מה קורה למים? כפי שראינו, מולקולות המים נעות בעצם מעלה ומטה בעוד הגל מתקדם במישור. זהו גל רוחבי, שה"הפרעה", או העיוות בפני המים, מאונכת להתקדמות הגל. ההפרעה מתקדמת מהמרכז החוצה, אבל המים עצמם נשארים באותו מקום – הם לא זזים. אם תביטי על עלה שנח על פני המים, תראי שגל קטן שיחלוף על פניו יזיז אותו מעלה מטה אבל הוא לא יתקדם הצדה עם הגל.

עד כה דיברנו על עיוות רגעי של פני המים, אבל מה קורה כשנופל חפץ? נחזור רגע לדוגמה של הקפיץ. כשהקפיץ יוצא משיווי המשקל הוא מתנודד בתדירות אופיינית לו. אם ננדנד את הקפיץ בתדירות מסוימת, הקפיץ יתנודד בתדירות שנדנדנו אותו, במה שנקרא "מתנד הרמוני מאולץ".

כך גם המים. אם ננדנד את פני המים בתדירות מסוימת נקבל גלים באותה תדירות. כשחפץ מכה במים בפתאומיות, הדבר שקול לנדנוד של המים בטווח רחב מאוד של תדירויות בו-זמנית, ולכן המים יתנודדו אף הם בטווח רחב של תדירויות ונקבל חבורת גלים. בחבורת גלים משתתפים הרבה גלים בתדירויות שונות, והם מתאבכים התאבכות בונה לפרק זמן מסויים, ולאחר מכן הם הורסים זה את זה. בגלל זה הגלים רק מופיעים לפרק זמן מסוים ולא מתנודדים לנצח כמו מטוטלת, זוהי אותה פיזיקה הגורמת לגלי קול שאנו שומעים להיות קצובים בזמן.


חבילת גלים | האנימציה לקוחה מוויקיפדיה

אלעד יעקבי
המחלקה לחומר מעובה
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.