![]() |
![]() |
Главная страница Физика природных явлений ![]() ны, хотя и близок к трохоиде, тем не менее отличен от нее. В частности, он имеет меньшую крутизну, более пологую ложбину. Скорость волны зависит от скорости ветра и длительности его воздействия на волну, причем скорость волны всегда меньше скорости ветра. Создается впечатление, что ветер как бы гонит волну, разгоняет ее. Между прочим, именно так обычно и говорят. Забегая вперед, заметим, что такое представление неверно с физической точки зрения. При постоянном ветре скорость установившихся волн составляет 0,8 от скорости ветра. Свежий ветер силой 5 баллов (такой ветер хорошо ощущается рукой, он качает тонкие стволы деревьев) имеет скорость около 10 м/с. Скорость сильного ветра силой 8 баллов (ломаются ветви и сучья) доходит до 20 м/с. Таким образом, волна может перемещаться довольно быстро - со скоростью порядка 10 м/с и более. При этом важно иметь в виду, что стремительный бег волн отнюдь не означает, что столь же стремительно переносит- ся вещество, в данном случае вода. Бросьте в волну пробку и понаблюдайте за ней. Когда под пробкой проходит гребень, она устремляется вместе с ним вперед, однако тут же соскальзывает с него, отстает и, попадая в ложбину волны, начинает двигаться назад, пока ее не подхватит следующий гребень. Затем все повторяется. Впрочем, повторяется не полностью: всякий раз пробка смещается немного вперед. Именно так и ведут себя частицы воды; волна бежит вперед, а водная масса совершает перемещения на одном месте , слегка смещаясь по направлению движения волны. До сих пор мы рассматривали морские волны вдали от берега там, где море достаточно глубоко (позднее мы уточним, что означает глубоко ). Теперь обратимся к волнам на мелководье с плавно поднимающимся дном, т. е. к волнам в непосредственной близости от берега. Здесь мы видим существенно иную картину. При очень слабом ветре волны лижут кромку берега, то набегая на нее, то отступая назад. Ветер крепчает - и волны начинают накатываться на берег, с шумом обрушиваясь, разбиваясь на мириады брызг и покрывая кромку берега пеной. При еще более сильном ветре картина прибоя становится более впечатляющей. Вблизи линии берега вырастают высокие волны с белыми гребнями (буруны). Они с грохотом опрокидываются на берег, выбрасывая на него потоки воды и обильную пену (рис. 14.5). В картине морских волн у берега следует выделить две основные черты. Во-первых, подходя к берегу, волны становятся выше и в то же время короче, т. е. резко возрастает крутизна волн. Опытные моряки легко определяют мели и подводные рифы по особенно высоким волнам, возникающим над ними. Увеличение крутизны этих волн делает их неустойчивыми, их гребни начинают разрушаться, покрываясь белыми шапками пены. Буруны - верный признак мелководья. Во-вторых, при подходе к берегу (как и при прохождении над подводным рифом) качественно изменяется профиль волны. На глубоких местах профиль волны всегда симметричен относительно вертикальной плоскости, проходящей через верхнюю точку гребня. Теперь же такой симметрии нет. ![]() Верхняя часть гребня смещается вперед сильнее, чем нижняя часть; Б результате волна как бы опрокидывается вперед, обрушиваясь на берег. Как образно сказал один из исследователей морских волн, волна встает на дыбы, как только почувствует почву под ногами, т. е. дно, а затем летит кувырком, разбиваясь на прибрежной отмели или рифах . Все это хорошо видно на рисунке 14.2,в. Дополнительно заметим, что, приближаясь к берегу, волны замедляют свое движение. Кроме того, их движение явно упорядочивается. Вдали от берега картина волн может быть весьма неупорядоченной, однако в непосредственной близости от берега мы наблюдаем регулярные волны, ориентированные, как правило, параллельно линии берега. Скорость волн на глубокой и мелкой воде. Пусть Я - глубина, т. е. расстояние от поверхности воды до дна (имеется в виду поверхность воды в спокойном состоянии). Если Я Л, а тем более если НЖ, то говорят о глубокой воде. Если же Я<С (на практике часто используют условие Н<СХ/10), то говорят о мелкой воде. На глубокой воде волна распространяется, не чувствуя дна; в волнении участвует лишь приповерхностный слой воды толщиной не более половины длины волны. Иное дело волна на мелкой воде. Теперь в движение вовлекается вся масса воды, волна чувствует дно; ее скорость зависит от глубины. Скорость волны на глубокой воде описывается формулой (14.1) а на мелкой воде v= /glT. (14.2) Здесь g - ускорение свободного падения. Рассмотрим задачу. Исходя из размерности физических величин показать, что скорость волны на глубокой воде должна быть пропорциональна /р.Прежде всего, сообразим, какие величины могут входить в формулу для скорости волны. Таких величин четыре: длина волны X глубина водоема Н, плотность воды Q, ускорение свободного падения g (величину g следует принимать во внимание по той причине, что сила тяжести игржет роль возврищаюгцей силы для колебаний водной поверхности). Учитывая, что рассматривается глубокая вода, сразу исключим глубину Н; ведь в данном случае волна не чувствует дна, так что величина Н не может влиять на ее скорость. Из трех оставшихся величин (X, Q, g) надо обржзовать величину, имеюгцую размерность скорости. В размерность плотности Q входит масса; размерности же остальных величин, включая и скорость, массы не содержат. Следовательно, величину q тоже надо исключить. В итоге остаются две величины: Х и g. Единственная комбинация из этих величин, имеюгцая размерность скорости, есть, очевидно, /gk . Итак, исходя только из обгцих физических соображений и учитывая размерности величин, мы получили формулу (14.1) с точностью до безразмерного множителя )/1/2л . Из формулы (14.1) следует важный вывод: на глубокой воде скорость волн зависит от их длины. Более длинные волны бегут быстрее коротких. В этом, кстати говоря, нетрудно убедиться, бросив камень в воду. От брошенного камня побегут кругами волны. Первыми достигнут берега более длинные волны (рис. 14.6). Внимательный читатель может вспомнить, что ранее, говоря о вол- нах ряби, мы утверждали нечто противоположное. Мы говорили, что быстрее бегут более короткие волны. Дело в том, что формулы (14.1) и (14.2) относятся к не слишком коротким волнам, а именно к волнам, длина которых больше нескольких сантиметров. Если же длина волны оказывается меньше примерно 2 см (а именно таковы волны ряби), то в этом случае необходимо принимать во внимание поверхностное натяжение воды. Такие волны называют капиллярными, для них роль возвращающей силы при колебаниях поверхности играет сила поверхностного натяжения (по сравнению с ней влияние силы тяжести становится несущественным). Пусть о - коэффициент поверхностного натяжения; он измеряется в Н/м. Скорость капиллярной волны описывается формулой и=/2до/дл. (14.3) Заметим, что для капиллярньгх волн величина g, являющаяся как бы представителем силы тяжести, никакой роли не играет; несущественна для них и величина Н - ведь для столь мелких волн любая вода глубокая. Остаются три величины: о, q, к. Единственная комбинация этих величин, имеющая размерность скорости, есть /о/дЯ,. ![]()
|
© 2000 - 2025 ULTRASONEX-AMFODENT.RU.
Копирование материалов разрешено исключительно при условии цититирования. |