Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Как ветер создает волны на воде?

      Все знают, что волны на воде рек, озер и морей создает ветер. Помимо, разумеется, лодок и кораблей. Но как ветер возбуждает волны? Ударяя по воде под некоторым углом? Под крутым бережком - может быть. Но на обширной водной глади - отнюдь. Ветер ведь дует параллельно поверхности воды. Но тогда как?

      Физика этого процесса очень напоминает физику полета самолета. В которой главный фактор - подъемная сила крыла. Изображают этот фактор обычно так:



      А объясняют следующим образом. В стационарных потоках сплошной среды (газа или жидкости) действует своеобразный закон сохранения вдоль линии тока этой среды. Называется он уравнением Бернулли:

                        P/ρ v2/2 = const,

где v - скорость среды в конкретной точке линии тока, P - давление и ρ - плотность среды в той же точке линии тока. Поскольку перед и за крылом линии тока среды соединяются, а крыло выпукло кверху, то над крылом скорость среды больше. И, следовательно слагаемое P/ρ меньше. Плотность воздуха при заметно дозвуковых его скоростях практически постоянна и потому P/ρ уменьшается в основном за счет уменьшения давления P над крылом. По сравнению с давлением под крылом. Потому самолеты и летают.

      Так в чем же состоит аналогия физики полета самолета физике возбуждения ветром волн на воде?

Взгляните на эту картинку:



      Поверхность неподвижной воды на ней отмечена прямой жирной линией с выпуклостью посередине. А линии тока ветра - пунктирными линиями. Ясно, что достаточно высоко над выпуклостью воды линии тока ветра будут прямыми. Следовательно, непосредственно над выпуклостью воды эти линии тока расположены чуть гуще, А для того, чтобы протечь воздуху через чуть более узкий проход между линиями тока, ему надо чуть увеличить скорость. И, тем самым, согласно уравнению Бернулли чуть уменьшить в себе давление. Из-за чего давление воды в ее выпуклости становится чуть больше, чем в воздухе над выпуклостью. Что стимулирует эту выпуклость вырасти по высоте.

      Случайные и очень малые флуктуации поверхности воды по высоте есть всегда. По изложенной выше причине выпуклости на поверхности воды при наличии ветра растут по величине. Проведя аналогичные рассуждения вы убедитесь, что впадины на поверхности воды при наличии ветра углубляются. Вот так и зарождаются ветровые волны на воде. Поначалу в виде ряби.

      Остается один вопрос - почему волны не возбуждаются при достаточно слабом ветре? Ответ прост - работает поверхностное натяжение на воде. То самое натяжение, которое придает каплям воды форму шариков. Которые и проливаются на нас дождем. Физика его проста и выглядит так (пояснять, думаю, не нужно):

:



       На поверхности относительно чистой воды поверхностное натяжение таково, что при скорости ветра меньше примерно 6,5 метров в секунду оно не позволяет возбуждаться волнам. А при скорости ветра чуть больше 7 м/сек рябь волн на воде появляется.

      Дальнейшее же увеличение амплитуды волн при больших скоростях ветра, их крутизна, эффект девятого вала и прочее - это уже нелинейные эффекты. Обсуждение которых выходит за рамки этого поста.

Tags: Физика на пальцах
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Уроки физики...

    На 77-м году жизни оказался вновь востребованным. В качестве профессора на 0,5 ставки на той кафедре, которую сам же и создавал в 1988-м в ВолГУ.…

  • Маленькие рассказы о космосе (18).

    За 10 лет в ЖЖ написал немало постов по космической тематике. Расфасовав их метками по разным подтемам. Но будучи сделанными в разное время по…

promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 12 comments