Можно ли сравнивать воду в пруду или в ванне и электромагнитное поле вокруг антенны искусственного спутника Земли? Оказывается можно! Достаточно найти в воде колебательный контур, в котором один вид энергии переходит в другой и из которого часть энергии удаляется от источника в самостоятельный полет.
А теперь рассмотрим последний рисунок из статьи «Волна на воде. Так ли все просто?». Я, правда, добавил на нем еще один оранжевый вихрь, который образуется между волной и цилиндром.
Дело в том, что вода с «горба» волны скатывается как вперед, так и назад, вот этот поток и создает «Вихрь под водой 2». Этот вихрь меньше первого и переносит назад меньше воды, поэтому мы наблюдаем движение горба волны от цилиндра во все стороны. Я попробовал изобразить установившийся режим, показав две волны на рис.2. Здесь приняты сокращения: ВПВ – вихрь под водой и ВПВ2 – вихрь в обратную сторону
Разность скоростей и переносимых масс воды между ВПВ и ВПВ2 образует два низкоскоростных потока воды – поверхностный и глубинный. Верхний поток относит немного воды и энергию, затраченную на колебания цилиндра, в разные стороны. Эта энергия выделится в виде всплеска на берегу или, при встрече волны с препятствием, постарается сломить препятствие, короче как-нибудь обязательно себя проявит. Нижний поток компенсирует количество воды в области вокруг стержня и возвращает небольшую часть энергии, необходимую для образования колебательных процессов и вихрей. Надо сказать, что в этом процессе участвуют еще двое. Это земное притяжение, которое создает давление воды, растущее от поверхности к дну, а также само дно, создающее реакцию противодействия весу жидкости и формирующее направление движения подводных масс по вертикали.
Наконец мы добрались до колебаний. Выделим для рассмотрения объем воды под днищем цилиндра. На этот объем действует переменное давление со стороны цилиндра при его движении. На всякий случай, сразу сообщаю, что вода сжимаема и даю ссылку на источник информации https://techgidravlika.net/view_post.php?id=17.
Вода на мгновение задерживает передачу этого давления во все стороны и сначала сжимается сама. Конечно, это очень малое сжатие, но оно есть. Точно также, как конденсатор притормаживал нарастание напряжения на своих обкладках.
Вода обладает массой, поэтому на ее разгон в любом направлении потребуется время. Значит масса воды играет ту же роль, что играла индуктивность катушки при приложении к ней напряжения. Давайте рассмотрим этот объем и действующие на него силы на рисунке 3. Рассматривать будем только правую половину, чтобы не загромождать схему симметричными деталями. На рисунке:
Голубой квадрат Ob – выделенный объем воды;
Синяя стрелка над квадратом P – давление от движения цилиндра;
Зеленая стрелка под квадратом R – реакция дна на давление цилиндра;
Красная стрелка вправо V – вектор движения воды из выделенного объема в окружающую среду под давлением со стороны цилиндра и дна.
В левой части показаны направления сил и движений воды при перемещении цилиндра вниз, в правой – при перемещении цилиндра вверх.
Не хочется отнимать лавры у физиков-математиков, поэтому постараюсь обойтись без производных и других математических приемов. Хотя само и напрашивается, взять приращение давления, рассмотреть ускорение единичных объемов воды, как производную скорости и вывести какое-то подобие зависимости скорости от давления.
Инерционность воды создает задержку в процессе истечения воды из выделенного объема в окружающую среду. Сжимаемость воды создает задержку в передаче давления от направлений P и R в направлении V. Абсолютно также, как в колебательном контуре действовали емкость и индуктивность по отношению к напряжению и току. Кстати, слово «ток» родственно словам «течение» и «протекание». Напомню, что цилиндр у нас движется вверх-вниз по закону синусоиды. Общая масса воды, участвующей в движении, не меняется. Значит можно говорить о том, что изменения скорости потока V тоже происходят по закону синусоиды. Только V отстает по фазе от P на какой-то угол. Чтобы определить этот угол придется учитывать массу факторов и справочных данных, поэтому оставим расчеты специалистам. Главное мы выяснили – сжимаемость и инерционность воды обеспечивают такие же задержки графика изменения скорости истечения воды из сжимаемого объема от графика изменения давления, какие происходили в колебательном контуре.
Но инерционность воды в совокупности с силами притяжения создает еще один интересный эффект. Наш цилиндр работает как поршень, несмотря на отсутствие стенок вокруг него и клапанов, направляющих воду из глубинных слоев в поверхностные. Двигаясь вверх-вниз цилиндр то засасывает воду в объем под собой, то выталкивает ее во все стороны. Инерция окружающих его потоков то помогает, то препятствует движениям цилиндра, совсем как реактивная энергия в электрических сетях. Инерция воды вокруг объема под цилиндром выполняет роль стенок вокруг поршня в насосе. Массы воды из глубины, не способные колебаться с частотой цилиндра и быстро стекающие с «горбов» струйки на поверхности воды в совокупности с вихрями в середине работают как клапаны в насосе. В результате получается тот самый вектор Умова-Пойнтинга, который уносит энергию от цилиндра в окружающий мир.
Если Вас интересует дальнейшее развитие темы, пишите комментарии. А пока, спасибо, что дочитали до конца.