Стало интересно, как же в воде образуются эти красивые расходящиеся круги. Настолько интересно, что двое суток только и представлял себе, что же происходит на поверхности и в верхних слоях воды. Если Вам интересно, что у меня получилось, читайте дальше.
Как говорил А. Эйнштейн «Проведем мысленный эксперимент». Впрочем, можете провести его в ванне, только это ничего не изменит, потому что увидеть надо то, что происходит со слоями воды во время возмущений в них. Будем представлять процессы на основе законов Ньютона, Архимеда и других школьных корифеев.
Мне не хочется возиться с формулами, да и не знаю я всех формул, гидравлику вообще не изучал. Поэтому прошу не ждать точного описания с размерами, скоростями и силами. Я также не буду учитывать смачиваемость цилиндра и вязкость воды, принципиальной роли это не сыграет.
Итак, опустим в воду вертикальный цилиндр небольшого диаметра, скажем d, на глубину меньше длины цилиндра, но достаточно, чтобы создавать волны, скажем L. Дадим поверхности воды успокоиться. Получилось то, что изображено на рис. 1. Цилиндр смещен влево, чтобы в правой половине свободно показать картинку формирования волны.
Если теперь заставить цилиндр двигаться в соответствии с показанным графиком, на поверхности воды должна образоваться волна. Но рассмотрим этот процесс по очень маленьким шагам, благо в мысленном эксперименте можно и время останавливать и разрез воды вместе с течениями в профиль разглядывать.
1 шаг. Цилиндр начал движение вверх. Ученик 6-го класса сразу заметит, что под днищем цилиндра освобождается объем, равный площади дна цилиндра, умноженной на величину перемещения цилиндра. Природа не терпит пустоты и в этот объем хлынет вода из окружающего пространства. В основном это будет та вода, которая прилегала к цилиндру, поэтому на поверхности образуется воронка, а масса движущейся воды приобретет скорость движения вниз.
2 шаг. Цилиндр продолжал движение и достиг максимальной скорости на середине своего пути. Освобожден значительный объем, воронка стала широкой и глубокой и в движение сверху вниз вовлечены большие массы воды. Кроме этого, появилось «скатывание» верхнего слоя воды в воронку.
3 шаг. Движение цилиндра замедляется. И вот здесь происходит неожиданность. Массы воды, заполнявшие пустоту под цилиндром, «требуют продолжения банкета», то есть не хотят снижать скорость своего движения. Для них ведь это ускорение со знаком минус. Поэтому в области под днищем цилиндра и вокруг его нижней части образуется область повышенного давления, которая выталкивает вверх прилегающий к цилиндру слой воды.
4 шаг. Цилиндр достиг верхней точки и остановился. Однако разогнанные массы продолжают движение к оси цилиндра, но уже снижают скорость и напор, с которым они выталкивают воду на поверхность вокруг цилиндра.
5 шаг. Цилиндр двинулся, набирая скорость, и расталкивает воду под собой во все стороны. Давление под цилиндром стало нарастать, постепенно останавливая массы двигавшихся к нему вод. Все излишки воды выталкиваются вверх, где они скатываются от цилиндра в круглую ямку, образовавшуюся на предыдущем цикле. В это время под поверхностью воды рождается главный герой нашей пьесы – подводный вихрь, закручивающий воду по поверхности тора, который охватывает наш цилиндр. На рисунке 6 красной стрелкой показано сечение этого тора и направление движения воды.
Скорость тех масс воды, что двигались к цилиндру, снижается, в то же время цилиндр напирает все сильнее, поэтому вихрь движется от цилиндра, поднимая над собой ту самую волну, которой мы любуемся.
На шаге 7 цилиндр достиг максимума скорости и середины своего пути вниз. Теперь уже имеются массы воды, движущиеся от цилиндра и набравшие скорость, а также имеется вихрь, формирующий горб волны.
Как только скорость движения цилиндра начинает падать, бунтовать начинают те потоки, которые покидали область под цилиндром, желая и дальше двигаться от оси цилиндра в стороны. Несмотря на то, что цилиндр движется вниз, под ним формируется область пониженного давления и единственная возможность компенсировать недостаток жидкости – поднять её с более глубоких слоев по оси цилиндра, ведь именно туда устремились глубинные массы с внешнего контура волны. Эта ситуация показана на рис. 8.
Наконец мы добрались до нижней точки. Цилиндр остановился, но теперь глубинные массы по инерции продолжают давить снизу, сверху скатывается горб, между ними крутится вихрь… Такие обстоятельства отодвигают вихрь все дальше от цилиндра и между ним и цилиндром зарождается будущая ложбина, которая будет развиваться при движении цилиндра вверх. Это отражено на рисунке 9.
А наш главный герой – вихрь под водой – будет двигаться по радиусу от цилиндра, приподнимая горб волны и затягивая массы воды перед собой вниз.
Конечно, это не теория, а только гипотеза о том, как образуется волна на поверхности воды. Хотелось бы отметить, что появление невидимого и даже не предполагаемого вихря вполне возможно и при движении других волн, в частности электромагнитных. Может быть подробное изучение глубинных процессов такого простого, с детства знакомого явления, как волна в луже принесет пользу большой науке?
Буду рад узнать Ваше мнение, а также те знания о волнообразных процессах, которыми Вы поделитесь
