Простая физика - 9. Волны на воде, в облаках, барханы в пустынях, ... И ошибка Ландау.

Я уже рассказывал о разных типах волн. О цунами (здесь и здесь), звуковых волнах и великом открытии Марка Твена, внутренних гравитационных волнах (ВГВ) и даже умудрился пояснить смысл соотношения неопределенности Гайзенберга на примере расхождения морских волн в гавани с узким входом.
     В природе, однако, мы видим еще ряд типов волновых движений. Таких, как возбуждаемые ветром волны на воде и барханы в пустынях, или возбуждаемые неизвестно чем гигантские спиральные волны в дисках плоских галактик. Или вообще не выглядящие волнами, но реально возникающие из них циклоны и антициклоны. Последние пока оставим на "поздний ужин", а сейчас обсудим механизм возбуждения волн сдвиговыми движениями газа и жидкости.
    Этот механизм принято называть неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца (НКГ). Именно она является причиной возбуждения волн на воде, ряби на песке под водой вблизи берегов рек и моря, барханов в пустынях, волн облаков. Мы знаем, что в отсутствии ветра поверхность воды в реках, озерах и морях спокойна. При слабом ветре – тоже. Но при достаточно заметном ветре на поверхности воды возбуждаются волны.
   Ветер дует параллельно поверхности воды. И, казалось бы, скользя вдоль поверхности воды, он не должен возбуждать волн. Как же понять  эффект возбуждения ветром волн на воде?
   В стационарных потоках сплошной среды действует своеобразный закон сохранения, называемый уравнением Бернулли:
                                              P/ρ +  v²/2 = const,

где v – скорость частицы жидкости или газа в конкретной точке пространства, P – давление и   ρ – плотность в той же точке пространства.  Смысл этого уравнения состоит в том, что означенная в нем комбинация сохраняется вдоль линии тока – линии, вдоль которой движутся частицы жидкости (газа).
     Кстати, уравнение Бернулли очень похоже на закон сохранения энергии из школьной физики. В котором полная энергия частицы сохраняется вдоль траектории ее движения. В нем тоже v²/2 + U/ m = E/ m = const и видна аналогия между P/ ρ и  U/ m.
Предположим теперь, что на поверхности воды случайно в результате флуктуации возникла маленькая выпуклость:

         Схема возбуждения ветровых волн на воде (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца).

От этого линии тока в воздухе в самой близкой окрестности этой флуктуации тоже станут слегка выпуклыми. Но эти выпуклости по мере удаления от поверхности воды быстро затухают. Из-за результирующего сближения линий тока в воздухе над выпуклостью водной поверхности скорость воздуха вдоль них слегка увеличится. Поскольку через уменьшенное сечение должно пройти то же количество воздуха, что и через обычное сечение над плоской поверхностью воды. И, следовательно, второе слагаемое в уравнении Бернулли над выпуклостью поверхности воды увеличивается, а первое слагаемое – уменьшается.
Что же преимущественно изменяется в первом слагаемом - давление или плотность воздуха? Интуитивно кажется, что плотность. Но это не так. На самом деле колебания плотности δρ в существенно дозвуковых потоках порядка ρ (v/с)². И при скорости звука с~340 м/сек и скоростях ветра до 15-17 м/сек колебания плотности не будут превышать четверти процента от величины самой плотности. То есть, воздух в таких потоках остается практически несжимаемым. И реально над выпуклостью воды на рисунке будет уменьшаться давление в воздухе. А в воде оно остается неизменным. Поэтому произвольная выпуклость на поверхности воды вынуждена будет расти по амплитуде. В этом и состоит суть неустойчивости Кельвина-Гельмгольца как механизма возбуждения ветром волн на воде.
      Из сказанного следует, что любой ветерок должен возбуждать волны на воде. Но по опыту мы знаем, что от слабого ветра волны не возбуждаются. Причина этого - в стабилизирующем влиянии поверхностного натяжения на границе раздела вода-воздух. Который оказывается недостаточно при превышении скоростью ветра некоторого критического значения (в условиях российского лета это значение для чистой воды – около 7 м/сек).
Но если ветер перестанет дуть, то через некоторое время затухают и возбужденные им волны. Поскольку переток энергии ветра в колебания водной поверхности прекращается. А колебания водной поверхности постепенно затухают из-за диссипации их энергии, обусловленной вязкостью воды.
    Возбуждаемые ветром волны на воде по своей сути являются внутренними гравитационными (ВГВ), описанными в предыдущем псто этой серии. Но поскольку масштаб неоднородности среды в вертикальном направлении фактически равен нулю (разрыв плотности среды на границе вода-воздух), то частота этих волн ω определяется не масштабом неоднородности среды, а длиной волны λ. Из тех же соображений размерности, что и в предыдущем псто, определяем частоту волн: ω ~ √g/λ, где g - ускорение силы тяжести (значок "~" - по порядку величины).
Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (НКГ) возбуждается не только в системах с разрывом скорости в системе ветер - покоящаяся вода (черная толстая линия на графике). Она развивается и в плавно сдвиговых движениях сплошной среды, если в графике профиля ее скорости есть точка перегиба, при прохождении через которую выпуклая кривая графика скорости становится вогнутой (красная линия на графике):

Именно этот случай мы и наблюдаем в небе в виде волнообразных облаков.
  Ошибка Ландау. В самом начале войны Лев Ландау задался вопросом - а не стабилизируется ли неустойчивость КГ если разрыв в скорости потока существенно превышает скорость звука? По его вполне корректным вычислениям выходило, что стабилизируется. Если разрыв скорости превышает 2√2 скорости звука.
   Сразу возникла идея - давайте жечь немецкие танки сверхзвуковой струей легко воспламеняющейся жидкости! Поставили опыты. Не пошло. И об этом забыли. И только в 1954 году стало ясно, что Ландау в своих вычислениях учел только возмущения поверхности струи кольцевого типа. А возмущения винтового типа не учел. Но именно винтовые возмущения остаются неустойчивыми при сколь угодно больших скоростях струи по сравнению со скоростью звука.