Волны на поверхности воды. Волны. Смотреть что такое "Волны на поверхности жидкости" в других словарях

Которых убывает с удалением от поверхности. Волны на поверхности жидкости могут заполнять большие площади, состоять из нескольких волн (цуг) и даже одного гребня или впадины (уединённая волна, солитон). Периоды волн на поверхности жидкости лежат в диапазоне от нескольких суток до долей секунды, длины - от тысяч километров до долей миллиметра, амплитуды - от десятков метров до долей микрометра. Тип волны, фазовая и групповая скорости задаются дисперсионным соотношением ω = ω(k) - функцией частоты ω от волнового вектора k. Наиболее низкочастотные волны на поверхности жидкости - инерционные волны - обусловлены силой Кориолиса; волны промежуточной частоты - гравитационные волны на поверхности жидкости - силой тяжести с ускорением g. Короткие и высокочастотные волны на поверхности жидкости - капиллярные волны - создаются силами поверхностного натяжения. У коротких гравитационных волн на поверхности жидкости (λ < 5Н, где λ = 2π/k - длина волны, Н - глубина водоёма) фазовая скорость больше групповой и растёт с длиной волны (прямая дисперсия). Частицы в них описывают окружности, радиус которых убывает с глубиной. Скорость длинных волн на поверхности жидкости (λ> 10Н) не зависит от λ (волны без дисперсии); частицы в них движутся по эллипсам с убывающей вертикальной осью. Капиллярные волны на поверхности жидкости обладают обратной дисперсией, их групповая скорость больше фазовой. Быстрые капиллярные волны на поверхности жидкости располагаются перед препятствием, медленные гравитационные - позади него. Скорость наиболее медленных волн на поверхности жидкости определяет размер области спокойной воды, отделяющей цуг нестационарных волн от импульсного источника, например брошенного в воду камня. Вблизи поверхности вязкой жидкости волны образуют периодический пограничный слой толщиной δ = √2 ν/ω, где V - кинематическая вязкость. Волны на поверхности жидкости и сопутствующие пограничные слои переносят энергию и вещество.

Картину волн на поверхности жидкости усложняет интерференция волн (наложение волн от различных источников), рефлексия (отражение от неровностей дна и берегов), рефракция (искривление и поворот волновых фронтов на неровном дне), дифракция (проникновение в область геометрической тени), а также нелинейное взаимодействие с волнами на поверхности и внутри жидкости, пограничными слоями, течениями, вихрями и ветром. С ростом амплитуды различия в свойствах волны и пограничного слоя стираются, формируется единая волновихревая система («кипящая стена воды», «волна-убийца»), обладающая большой разрушительной силой. Волны на поверхности жидкости распадаются, если ускорение в них превосходит g и амплитуда А >λ/2π.

Волны на поверхности жидкости в океанах образуются под действием притяжения Луны и Солнца (наиболее выражены приливные волны с периодами, кратными 12 ч 25 мин - половине лунных суток), землетрясений и оползней, меняющих форму дна и берегов (цунами с периодом 10-30 мин), из-за воздействия атмосферы, обтекания препятствий. Ветровые волны с периодом 2-16 с распространяются со скоростью 3-25 м/с на большие расстояния, образуя регулярную зыбь и прибой. Амплитуда цунами, бегущих в океане со скоростью около 700 км/ч, возрастает при подходе к берегу, они смывают города и опустошают прибрежные зоны.

Волны на поверхности жидкости влияют на обмен веществом, энергией и импульсом между атмосферой и гидросферой, способствуют насыщению воды кислородом. Возобновляемая энергия волн на поверхности жидкости используется приливными электростанциями и установками, непосредственно преобразующими её в электрическую.

Смотри также Волны в океане.

Лит.: Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М., 1977.

Волны на поверхности воды - есть совокупное колебание частиц поверхностной массы воды под действием внешней силы: ветра, прилива, подводного землетрясения, идущего теплохода и др. Линия, на которой лежат все точки вершины одного гребня, называется фронтом волны (Фронт волны только на небольшом расстоянии может быть изображен прямой линией; обычно это плавная кривая.).

Рис. 19.8 . Элементы волны

Рис. 19.9 . Структура обычных волн (вид сверху)

Рис. 19.10 . Параметры волны

Параметры волны (по поперечному срезу):

h - высота (Как видно из рисунка 19.9 (вид волн сверху) высота волны h вдоль ее фронта не одинакова и колеблется от hmin до hmax.); λ - длина; - крутизна; С - скорость движения; N° - угол между вектором скорости С и направлением на N (север); τ - период, т. е. время, за которое волна проходит свою длину.

К параметрам волны можно отнести и форму ее поперечного среза, например:

Можно выделить тип волн под названием: «толчея», которая получается при встрече волн примерно одинаковой высоты, но идущих с разных направлений. В толчее больших волн управление судами (в т. ч. яхтами) затруднительно.

«Мертвая зыбь » имеет гладкую пологую (гармоническую) форму волн, обычно большой длины (λ) и случается в штиль. Это волнение по инерции, когда ветра уже нет. Мертвая зыбь может быть волнами, вслед за которыми придет шторм.

Волны обладают свойствами:

• отражаются от препятствий (угол падения равен углу отражения);
• накладываться друг на друга: отраженная волна на основную или от разных источников;
• сохранение инерции в течение некоторого времени (силы, вызвавшие волны прекратили действовать, а волны продолжают свой бег);
• волны, вызванные действием ветра не всегда движутся по направлению ветра. Ветер может изменить свое направление, а волны будут двигаться как прежде (снова инерция);
• на мелководье, где глубина меньше длины волны, изменяется форма волны, уменьшается ее длина (λ) и увеличивается скорость (с) и высота (h), но период (τ) остается прежним;
• плавающие водоросли, сильный дождь, мелкий лед, разлитое масло сглаживают волны.

Во время плавания на яхте параметры волны (h и λ) определяют глазомерно. Величину τ можно замерить бросив лист бумаги в воду и пустив секундомер в момент появления листа на вершине гребня. Секундомер останавливают на 11-м появлении листа на вершине гребня и получают время t = 10τ. Зная τ и λ можно вычислить скорость движения волны C=λ/τ.

Другие формулы вычислений дают:

С м/с = 0,65 × τ с 2 (или С узл = 3 × τ с)

С м/с = 1,2√λ м; λ м = 1,56 × τ с 2 ;

(при шторме ).

Для внутренних водоемов, где разбег волн всего несколько километров и преобладает крутая волна пользуются формулой:

λ м = τ с 2 .

Приведенные формулы приблизительны и справедливы для волн средней величины на момент их наблюдения.

Каждый яхтсмен в плавании имеет дело с ветром и волнами. Все эти составляющие влияют на ход яхты и могут не только способствовать ее продвижению, но и оказывать вредное действие. Задача яхтсмена выделить вредные факторы и свести их влияние к минимуму, если их не удается избежать (например обойти) и, в то же время, желательно воспользоваться в полной мере их полезными составляющими. Это имеет место и при плавании на волнении.

1. При встречном волнении, особенно, когда крутая волна и длина ее 1 ÷ 1,5 длины яхты, очень важно выбирать гладкие участки воды (это возможно! См. структуру волн вид сверху) и не направлять яхту точно против набегающей волны - будет мощный удар, останавливающий яхту. Лучше волне подставлять скулу и дать яхте мягко взойти на гребень, а затем немного увалить. Таким образом, яхта будет идти среди волн зигзагом, выбирая гладкие участки, приводясь и уклоняясь от резких ударов и даже ускоряясь, несколько уваливая при сходе с гребня в ложбину. Путь яхты несколько удлинится, но потери времени на переход будут минимальны.
2. А. При попутном или боковом волнении управление яхтой доставляет удовольствие. Набегающий гребень (его лучше встречать с бакштага) подхватывает яхту и увлекает своим склоном вперед и ускоряет ее. Возникает ощущение полета, которое можно продлевать, правильно выбирая место для прохода гребня впереди идущей волны, на которой вновь можно получить ускорение и т. д. Вновь яхта будет идти зигзагообразным удлиненным путем, но в этом случае за счет существенного прироста скорости выигрыш будет очень ощутим.
   Б. Если же ход яхты опережает бег волн, следует изменять направление движения яхты так, чтобы она не упиралась в очередную гору воды, но пошла бы наискось скользя вдоль нее и была бы вновь подхвачена волной. Удлинившийся путь компенсируется с избытком возросшей скоростью хода яхты. Во всех случаях при сходе с гребня несколько уваливают, а при восхождении приводятся.

Описанные взаимодействия яхты с волнами быстро приучают рулевого к автоматизму управления. Это удивительно, но факт!

Формулы, выведенные выше, пригодны только для волн на глубокой воде. Они ещё достаточно точны, если глубина воды равна половине длины волны. При меньшей глубине частицы воды на поверхности волны описывают не круговые траектории, а эллиптические, и выведенные соотношения неверны и принимают на самом деле более сложный вид. Однако для волн на очень мелкой воде, а также для очень длинных волн на средней воде зависимость между длиной и скоростью распространения волн принимает опять более простой вид. В обоих этих случаях вертикальные перемещения частиц воды на свободной поверхности весьма незначительны по сравнению с горизонтальными перемещениями. Поэтому опять можно считать, что волны имеют приблизительно синусоидальную форму. Так как траектории частиц представляют собой очень сплющенные эллипсы, то влиянием вертикального ускорения на распределение давления можно пренебречь. Тогда на каждой вертикали давление будет изменяться по статическому закону.

Пусть на поверхности воды над плоским дном распространяется со скоростью с справа налево «вал» воды шириной b, повышающий уровень воды от h 1 до h 2 (рисунок 4.4). До прихода вала вода находилась в покое. Скорость её движения после повышения уровня щ. Эта скорость не совпадает со скоростью вала, она необходима для того, чтобы вызвать боковое перемещение объёма воды в переходной зоне шириной b вправо и тем самым поднять уровень воды.

рис 4.4 п

Наклон вала по всей его ширине принимается постоянным и равным. При условии, что скорость щ достаточно мала, чтобы ей можно было пренебречь по сравнению со скоростью с распространения вала, вертикальная скорость воды в области вала будет равна (рисунок 4.5)

Условие неразрывности 3.4, применённое к единичному слою воды (в направлении, перпендикулярном к плоскости рисунка 4.4), имеет вид

щ 1 l 1 = щ 2 l 2 , (интеграл исчез из-за линейности рассматриваемых площадок),

здесь щ 1 и щ 2 - средние скорости в поперечных сечениях l 1 и l 2 потока соответственно. l 1 и l 2 - линейные величины (длины).

Это уравнение, применённое к данному случаю, приводит к соотношению

h 2 щ = bV , или h 2 щ = c (h 2 -h 1). (4.9)

Из 4.9 видно, что связь между скоростями щ и c не зависит от ширины вала.

Уравнение 4.9 остаётся верным и для вала непрямолинейного профиля (при условии малости угла б). Это легко показать, разбивая такой вал на ряд узких валов с прямолинейными профилями и складывая уравнения неразрывности, составленные для каждого отдельного вала:

Откуда при условии, что разностью h 2 - h 1 можно пренебречь и вместо h 2i в каждом случае подставить h 2 , получается. Это условие справедливо при уже принятом допущении о малости скорости щ (смотри 4.9).

К кинематическому соотношению 4.9 следует присоединить динамическое соотношение, выведенное из следующих соображений:

Объём воды шириной b в области вала находится в ускоренном движении, так как частицы, составляющие этот объём, начинают своё движение на правом краю с нулевой скоростью, а на левом краю имеют скорости щ (рисунок 4.4). Из области внутри вала берётся произвольная частица воды. Время, за которое над этой частицей проходит вал, равно

поэтому ускорение частицы

Далее ширина вала (его линейный размер в плоскости, перпендикулярной рисунку) принимается равной единице (рисунок 4.6). Это позволяет записать выражение для массы объёма воды, находящегося в области вала, следующим образом:

Где h m есть средний уровень воды в области вала. (4.11)

Разность давлений по обе стороны вала на одной и той же высоте составляет (по формуле гидростатики) , где постоянная для данного вещества (воды) .

Следовательно, полная сила давления, действующая на рассматриваемый объём воды в горизонтальном направлении, равна. Второй закон Ньютона (основное уравнение динамики) с учётом 4.10 и 4.11 запишется в виде:

Откуда. (4.12)

Таким образом, ширина вала выпала из уравнения. Аналогично тому, как это было сделано для уравнения 4.9, доказывается, что уравнение 4.12 применимо также для вала с другим профилем при условии, что разность h 2 - h 1 мала по сравнению с самими h 2 и h 1 .

Итак, имеется система уравнений 4.9 и 4.12. Далее в левой части уравнения 4.9 h 2 заменяется на h m (что при низком вале и как следствие малой разнице h 2 - h 1 вполне допустимо) и уравнение 4.12 делится на уравнение 4.9:

После сокращений получается

Чередование валов с симметричными углами наклонов (т. н. положительных и отрицательных валоы) приводит к образованию волн. Скорость распространения таких волн не зависит от их формы.

Длинные волны на мелкой воде распространяются со скоростью, называемой критической скоростью.

Если на воде следуют друг за другом несколько низких валов, из которых каждый несколько повышает уровень воды, то скорость каждого последующего вала несколько больше скорости предыдущего вала, так как последний уже вызвал некоторое увеличение глубины h. Кроме того, каждый последующий вал распространяется уже не в неподвижной воде, а в воде, уже движущейся в направлении движения вала со скоростью щ. Всё это приводит к тому, что последующие валы догоняют предыдущие, в результате чего возникает крутой вал конечной высоты.

О чем рассказывает свет Суворов Сергей Георгиевич

Волны на поверхности воды

Волны на поверхности воды

Каждый знает, что водяные волны бывают разные. На поверхности пруда едва заметная зыбь слегка качает пробку рыболова, а на морских просторах огромные водяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличаются волны друг от друга?

Посмотрим, как возникают водяные волны.

Рис. 4. Прибор для ритмического возбуждения волн на поверхности воды

Для возбуждения волн на воде возьмем прибор, показанный на рис. 4. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б , стерженек В движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются круговые волны (рис. 5).

Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) называется длиной волны и обычно обозначается греческой буквой ? (лямбда) (рис. 6).

Рис. 5. Волны, создаваемые ритмично колеблющимся стерженьком; буквой? обозначена длина волны

Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть, и частоту колебаний стерженька вдвое. Тогда число волн, появившихся за то же время, будет вдвое больше. Но при этом длина волн будет вдвое меньше.

Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой ? (ню).

Рис. 6. Поперечный разрез водяной волны. АБ - амплитуда а, БВ - длина волны?

Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет ее вверх, а следующая за ним впадина опустит вниз. За одну секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны ? . Значит, пробка будет колебаться с частотой ? . Так, обнаруживая действие волн в любом месте их распространения, мы можем установить их частоту.

Рис. 7. Схема связи длины волны?, скорости v и частоты?. Из рисунка ясно, что v = ??

Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется ? волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке (рис. 7). Первая волна, образовавшаяся в начале секунды, дойдет до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на число образовавшихся волн, то есть на частоту ? . Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны v . Таким образом,

? ? ? = v

Длину волны и скорость распространения волн часто узнают из опыта, но тогда частоту v можно определить из вычисления, а именно:

? = v / ?

Частота и длина волн являются их существенными характеристиками; по этим характеристикам одни волны отличают от других.

Кроме частоты (или длины волны), волны отличаются еще и высотой гребней (или глубиной впадин). Высота волны измеряется от горизонтального уровня покоящейся поверхности воды. Она называется амплитудой, или размахом колебаний.

Амплитуда колебаний связана с энергией, которую несет волна. Чем больше амплитуда водяной волны (это относится также и к колебаниям струн, почвы, фундамента и т. д.), тем больше энергия, которая передается волнами, причем больше в квадрат раз (если амплитуда больше в два раза, то энергия больше в 4 раза и т. д.).

Теперь мы можем сказать, чем океанская волна отличается от зыби в пруду: длиной волны, частотой колебаний и амплитудой.

А зная, какими величинами характеризуется каждая волна, нетрудно будет понять и характер взаимодействия волн друг с другом.