موجهای موجود در دریا

انسان ذاتا تماشای موج را دوست دارد. آدم اگر سوار بر کشتی باشد آسوده خیال به افت و خیز مداوم سطح دریا خیره می‌شود؛ می‌تواند به نحلی در جزیره‌ای تکیه کند و ساعتها محو تماشای برخورد موزون امواج با ساحل باشد. می‌خواهد صرفاً با تماشای امواج سر از کار آنها در آورد چون امواج او را به عالم رؤیا می‌برند؛ هر کسی که سعی کند دست کم صد تا موج را بشمارد این نکته را در خواهد یافت.
موجها همواره هم این چنین رؤیا برانگیز نیستند. گاهی ما را به شدت وحشت زده می‌کنند چرا که می‌توانند از جمله‌ی ویرانگرترین نیروهای طبیعت باشند؛ می‌توانند کشتی‌ای را به قعر دریا فرو ببرند یا دهکده‌ای ساحلی را ویران کنند. معمولاً تصور می‌شود که همه‌ی امواج دریا را باد به وجود می‌آورد، زیرا انواع معمولی امواج ناشی از باد هستند. اما ویرانگرترین امواج را زمین لرزه‌ها و زمین لغزه‌های زیر دریا تولید می‌کنند، سایر امواج اقیانوس، مانند آنها که از جاذبه گرانشی خورشید و ماه و تغییرات فشار هوا ناشی می‌شوند بسیار خفیف هستند و غالباً به چشم نمی‌آیند. حتی عوامل ظاهراً خنثایی مانند شکل کرانه و کف دریا، شیب ساحل، و انحنای خط ساحلی نیز در عملکرد موج مؤثر هستند. مثلاً موج هر چه به طرف نقاط کم عمق‌تر پیش می‌رود مرتفعتر می‌شود تا آن که نزدیک ساحل شیب جلوی آن آن قدر زیاد می‌شود که به صورت توده‌ای کف آلود و آشفته به جلو سرنگون می‌شود (یا به صخره‌های ساحلی برخورد می‌کند). اگر چه علل این پدیده‌ی تماشایی را در این مورد کم و بیش به خوبی درک کرده‌ایم اما در مورد بسیاری از جنبه‌های دیگر تولید و انتشار موج نمی‌توان چنین ادعایی کرد. با وجود این، با استفاده از نتایج بررسیها و آزمایشهای مفصلی که در دریا و در مخزنهای آزمایشی بزرگ صورت می‌گیرد می‌توان به بسیاری از پرسشهای نظاره‌گران این امواج پاسخ داد. دانش جدید امکان اندازه گیری قدرت و پیش بینی رفتار این امواج را، در خدمت آنهایی که کار و زندگیشان در دریا و سواحل آن می‌گذرد فراهم کرده است.
ریگی را درون استخری بیاندازید و قطار موزون امواجی را که منتشر می‌شود نظاره کنید. امواج دریا اصلاً به این شکل نیستند بلکه آشفته و نامنظم هستند، با پشته‌هایی تقریباً به شکل الماس و با فرو رفتگیهای واپیچیده. پیچیدگی این امواج چنان ناامید کننده است که دریات نوردان پس از دو هزار سال مشاهده هیچ توضیحی فراتر از بدیهیات (که امواج به نحوی از باد ناشی می‌شوند) ترائه نکردند و توصیف سطح دریا همچنان در حوزه شعر و شاعری باقی ماند.
حرکت امواج پیچیده‌تر از آن است که به طور شهودی قابل درک باشد. باید مؤلفه‌ها را جدا کرد و یکی یکی به بررسی آنها پرداخت. بنا بر این نخستین نظریه پردازان قطار کامل و بی نقصی از امواج را برای مطالعه در نظر گرفتند، طوری که همه‌ی امواج این قطار دقیقاً شبیه یک دیگر باشند و در اقیانوسی نامتناهی راه بی پایانی را طی کنند. این یک نوع انتزاع بود که دست کم می‌شد از لحاظ ریاضی آن را مطالعه کرد.
اولین ناظران به این نکته توجه کرده بودند که امواج گذرنده اشیاء شناور را به پس و پیش و بالا و پایین حرکت می‌دهند، اما آنها را به طور افقی تا مسافت زیادی منتقل نمی‌کنند آنها می‌توانستند از حرکت چلیکهای دریایی حرکت ذرات آب را استنتاج کنند. تا آن که در سال 1802 میلادی فراتس گرشتنر آلمانی نخستین نظریه موج را پرداخت. او نشان داد که ذرات آب در مدارهای دایره‌ای حرکت می‌کنند. یعنی آب در ستیغ موج در جهت پیشروی موج حرکت افقی دارد در حالی که در فرو رفتگی در جهت عکس حرکت می‌کند. بنا بر این هر ذره آب یک مدار دایره‌ای در سطح آب ترسیم می‌کند که قطر آن با ارتفاع موج برابر است.

با گذشتن هر موج آب تقریباً به موضع اولیه خود بر می‌گردد. گرشتنر مشاهده کرد که رد هر موج در روی سطح تقریباً به شکل چرخزاد است (چرخزاد شکلی است که هر نقطه روی محیط یک چرخ غلتان در فضا رسم می‌کند). کارهای گرشتنر را بعداً در قرن نوزدهم سر جرج ایری، و در قرن بیستم هوراس لمت در انگلستان، و عده‌ای دیگر تکمیل کردند.
نخستین کسانی که در زمینه امواج آزمایشهایی انچام دادند ارنست وبر و ویلهلم وبر آلمانی تودند، که در 1825 میلادی کتابی بر پایه بررسیهای خود با به کار گیری مخزن موجی که اتداع کرده بودند انتشار دادند. طول مخزن آنها در حدود یک و نیم متر، عمقش در حدود سی سانتی متر و پهنایش دو و نیم سانتی متر بود، و دیواره‌هایی شیشه‌ای داشت. برای ایجاد موج در این مخزن، آنها مقداری از مایع مخزن را از یک انتها به داخل لوله‌ای می‌مکیدند و سپس آن را به صورت قطره قطره به داخل مخزن بر می‌گرداندند. برادران وبر علاوه بر آب و جیوه با مایعات دیگر نیز آزمایش کردند. آنها دریافتند که امواج بدون اتلاف انرژی بازتابیده می‌شوند، و با فرو بردن و بیرون آوردن سریع صفحه‌ای که گرد گچ بر آن نشیته بود شکل سطح موج را تعیین کردند. بررسی آنها از ذرات معلق در آب مؤید این نظریه بود که ذرات آب در یک مدار دایره‌ای حرکت می‌کنند، و اندازه این مدار به تناسب عمق کاهش می‌یابد. هم چنین مشاهده شد که این مدارها در کف مخزن گرایش به تخت شدن دارند.