Причины возникновения и характеристики волн

Давайте рассмотрим причины возникновения воли и их поведение в реальности. Возникновению волн способствуют возмущающие силы, а возвратные силы противодействуют им. Характеристики волн зависят от интенсивности и длительности действия возмущающих сил и взаимодействия возвратных сил.

Жидкости на Земле стремятся оставаться в состоянии покоя. Они приходят в движение только тогда, когда что-либо сообщает им энергию - возмущает их. К возмущающим силам, приводящим к образованию волн в океане, можно отнести ветер, гравитационную силу и сейсмическую активность. Наиболее распространенной возмущающей! силой является ветер, порождающий силу трения при прохождении воздуха над водной поверхностью. Гравитационные силы являются причиной возникновения приливной волны. Характеристики этих волн значительно отличаются от обычных, поэтому приливы мы рассмотрим отдельно. Сейсмическая активность включает землетрясения и извержения вулканов, которые могут привести к возникновению цунами.

Каждая из указанных возмущающих сил приводит к образованию волн определенной длины. Ветровые волны, как правило, имеют длину от 60 до 150 метров. Длина приливных волн примерно равна размеру бассейна океана, а длина волн цунами достигает 200 км.

Гравитация — это основная возвратная сила, действующая на ветровые и сейсмические волны. Она стремится «выровнять» поверхность океана, притягивая волны вниз, к уровню спокойной воды. Гравитация и сила Кориолиса - основные возвратные силы, действующие на приливные волны, что объясняется огромной длиной этих волн. Поверхностное натяжение воды - возвратная сила, имеющая значение для капиллярных волн (самых маленьких волн длиной около 1,7 см или менее). Поверхностное натяжение возникает из-за сильных полярных связей между молекулами воды, оказывающих сопротивление возмущающим силам. Подробнее о поверхностном натяжении мы расскажем в четвертой главе.

Волны можно классифицировать, исходя из того, какая из возвратных сил оказывает на них наибольшее действие. К капиллярным относятся те волны, основное противодействие которым оказывает поверхностное натяжение. Именно капиллярные волны образуются в первую очередь, когда ветер начинает дуть над спокойной поверхностью воды. По мере того, как волнение усиливается, поверхностное натяжение перестает оказывать волнам заметное сопротивление. На первый план выходит гравитация - вес волны - так что мы можем назвать крупные волны гравитационными. С практической точки зрения, большинство волн, с которыми имеют дело дайверы, являются гравитационными.

Хотя интенсивность, продолжительность действия и место происхождения возмущающих сил могут быть случайными, волны стремятся упорядочиться. Если им это не удается, они движутся с разной скоростью. Длинные волны обгоняют более мелкие. В конце концов, волны одинакового размера оказываются вместе. Это явление называется зыбь - волны одинакового размера и формы, перемещающиеся по поверхности океана.

Волны с похожими характеристиками перемещаются вместе, группируясь в серии волн одного направления. Первая волна в серии постепенно теряет энергию, которая переходит к новым волнам, возникающим в конце серии. По мере того, как первая волна слабеет, образуются новые волны, присоединяющиеся к замыкающим волнам серии. Благодаря процессу исчезновения и формирования новых волн, вся серия движется со скоростью, составляющей половину скорости каждой волны в отдельности. Когда серия волн достигает мелководья, ее скорость и скорость каждой отдельной волны становятся одинаковыми. Это происходит потому, что глубина влияет на характеристики волн. Отсюда подразделение на глубоководные волны и мелководные волны.

Глубоководные волны возникают там, где глубина превышает половину их длины. Скорость круговых движений воды быстро снижается с глубиной. Если глубина превышает половину длины волны, дно не может повлиять на характеристики волны. При длине волн 40 метров или менее, рыба, плывущая на глубине 20 метров, ничего не почувствует. Поскольку дно не может влиять на глубоководные волны, круговые движения воды в них также остаются неизменными.

Если глубина воды меньше, чем четверть длины волны, трение о дно влияет на круговые движения воды. Круги, по которым движется вода, преобразуются в эллипсы. Когда глубина достигает одной двадцатой длины волны, волна становится мелководной. На глубинах между одной второй и одной двадцатой длины, волны обладают промежуточными характеристиками, постепенно меняющимися от глубоководных к мелководным.

Глубоководные и мелководные волны могут существовать одновременно. Хорошим примером является огромная приливная волна. По определению, это мелководная волна, поскольку ее длина достигает размеров бассейна океана. Чтобы эту волну можно было отнести к глубоководным, глубина океана должна превышать диаметр Земли! На поверхности приливной волны могут образовываться ветровые глубоководные волны. Капиллярные волны почти всегда являются глубоководными, поскольку, чтобы попасть под это определение, им достаточно иметь глубину 0,9 см.

Как уже упоминалось, ветровые волны возникают в результате трения между воздухом и водой, в ходе которого энергия ветра передается воде. По мере того, как волны нарастают, поверхность трения увеличивается, а вместе с ней растет и количество передаваемой энергии. Три фактора, влияющие на усиление ветровых волн, включают скорость ветра, его продолжительность и длина разгона.

Скорость ветра очень важна - воздух должен двигаться быстрее, чем волны, ведь только тогда он сможет передавать им энергию. Продолжительность — это то, сколько времени ветер дует в одном направлении. Даже ветер с очень высокой скоростью не приведет к образованию больших волн, если он дует недолго или часто меняет направление. Длина разгона - это площадь поверхности, над которой дует ветер. На поверхности маленького пруда никогда не образуются большие волны, даже если очень сильный ветер будет дуть часами. Это связано с тем, что поверхность пруда слишком мала для того, чтобы ветер смог передать воде количество энергии, необходимое для образования большой волны.

Сочетание трех указанных факторов определяет максимальный теоретический размер волны. Выше этого теоретического максимума возмущающие и возвратные силы уравновешиваются, поэтому волны далее увеличиваться не могут. Когда площадь поверхности воды достигает максимально возможного размера, это называется полностью развитое волнение. Поскольку скорость ветра, его продолжительность и длина разгона изменяются независимо друг от друга, полностью развитое волнение не обязательно должно быть сильным. Средняя высота волны при полностью развитом волнении варьируется от 25 см до 15 м.

Как и в случае с маленьким прудом, эти три фактора влияют и на крупнейшие волны, которые могут образоваться на поверхности океана. Океан представляет собой огромные пространства воды, на которых ветер может беспрепятственно разгоняться, образуя волны.

Как это ни удивительно, иногда размер волн может превосходить максимальное теоретическое значение, установленное для полностью развитого волнения. По мнению ученых, такие аномальные волны возникают в результате взаимодействия двух серий волн одного направления. Когда сходятся две разных серии волн, они влияют друг на друга - так называемое явление усиливающей или ослабляющей интерференции. Если колебания волн двух серий находятся в фазе, то гребни и подошвы волн совпадают, образуя более высокие результирующие волны. Также аномально высокие волны могут возникать при движении волн против течения - этот механизм образования аномальных волн считается более важным.

Если две серии волн находятся в противофазе, гребни волн одной серии совпадают с подошвами другой. В результате волны двух серий нейтрализуют друг друга. Как усиливающая, так и ослабляющая интерференции могут действовать только на расстоянии, превышающем длину волны не более чем в несколько раз. Поэтому, например, ослабляющая интерференция не может привести к образованию участка относительно спокойной воды, если над морем дует сильный ветер.

Довольно редко случается так, что встречаются две серии волн одинаковой длины, находящихся в фазе. Как правило, волны двух серий немного не совпадают, поэтому при их взаимодействии ослабляющая и усиливающая интерференции чередуются. В результате на морс образуются волны разной высоты: высокие и низкие сменяют друг друга. Вы наверняка видели прибой - после ряда довольно слабых волн на берег выплескиваются несколько более сильных волн, а затем вес повторяется. Это происходит в результате неполного совпадения двух серий волн.