on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 1 гость.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

Образование волн на воде.

312. Как под действием беспорядочных порывов ветра, дующего над морем, формируется периодическое волновое движение воды? Что при этом играет основную роль: движение воздуха вдоль поверхности воды или вертикальные возмущения? Существует ли какая-то минимальная скорость ветра, при которой начинают образовываться волны? Существует ли между волнами и ветром некая обратная связь, усиливающая рост волн?

Ответ:
 Вертикально направленные силы создают волны с небольшой амплитудой. Когда поток воздуха проходит над этими волнами, он слегка отклоняется вверх над гребнем волны, а затем − вниз, во впадины. Если бы поток был идеальным, то энергия ветра не передавалась бы волнам, и амплитуда их оставалась бы прежней. Но возникающая во впадине циркуляция воздуха смещает область максимального давления в сторону воздушного потока. Поэтому изменения давления уже не совпадают по фазе с волнами на воде, часть энергии воздушного потока передается волнам и их амплитуда возрастает.


 Первые попытки понять процесс возбуждения волн ветром были сделаны в середине прошлого века. Эту задачу решал выдающийся английский физик Томсон (лорд Кельвин) в предположении, что движение воздуха является ламинарным, как бы состоящим из отдельных струй. Над водным горбом эти струи воздуха сгущаются (рис.),


скорость течения возрастает, а давление в этом месте, в соответствии с законом Бернулли, падает. При достаточно большой скорости ветра возникающая подъемная сила преодолевает стабилизирующее действие сил тяжести и поверхностного натяжения, и на поверхности воды возбуждаются волны. Интересно, что рассчитанная критическая скорость оказалась очень большой, в десятки раз превышающей наблюдаемую. Такое вопиющее расхождение между результатами теории и эксперимента много лет было одной из обсуждаемых проблем гидродинамики. Путем различных сложных и хитроумных усовершенствований теории удалось снизить критическую скорость в несколько раз. Однако парадокс оставался.
 Объяснение его появилось только в конце пятидесятых годов нынешнего столетия. Оно основано на том, что слой воздуха, прилегающий к воде, не является ламинарным Он состоит из множества мелких вихрей (рис.),

или, как говорят физики, турбулизован. Вихри эти двигаются со скоростью ветра. Если скорость ветра меньше скорости волны, склон волны догоняет вихри, толкает их и, следовательно, отдает им энергию. При этом поверхность жидкости остается спокойной. Даже если возбудить волны, они быстро затухнут. Ситуация меняется, если вихри догоняют волну. Они «толкают» ее, отдают ей энергию и, следовательно, увеличивают ее амплитуду.
 Такой процесс возбуждения волн не случайно называют резонансным. И действительно, это обычный резонанс. Точно с таким же резонансом вы сталкиваетесь, например, при быстром движении поезда, который трясется на стыках. Частота ν тряски определяется скоростью поезда u и длиной рельса l:
ν = u/l.

 Если частота ν совпадает с одной из собственных частот вагона, вагон сильно раскачивает. Так же обстоит дело и при возбуждении волн ветром. Здесь роль длины l принимает на себя длина волны λ, а скорость u представляет собой скорость ветра, то есть при резонансе скорость волны должна быть равна скорости ветра.
Поэтому, если скорость ветра превышает минимальную скорость волн vmin, случайно возникающие волны малой амплитуды будут усиливаться и нарастать. Расчетное значение vmin хорошо согласуется с данными наблюдений.
 Если скорость ветра близка к vmin, возбуждаются волны с длиной, близкой к λmin, что составляет несколько сантиметров. Именно такие волны возникают на лужах при легких порывах ветра. С ростом скорости ветра появляются все более быстрые волны. Из рисунка видно, чти при этом возбуждаются как более длинные, так и более короткие волны.

Но очень короткие волны, с длиной волны порядка миллиметра и меньше, заметны плохо и быстро затухают. Поэтому мы обычно видим, что с ростом скорости ветра u возбуждаются все более и более длинные волны. Например, при скорости ветра ~40 км/ч, соответствующей шестибальному шторму, возбуждаются волны длиной вплоть до 60 м.