Образование волн на поверхности воды называется волнением.

Волны, наблюдаемые на поверхности воды, делятся на:

• Волны трения:
  
  
  • ветровые, образующиеся в результате действия ветра
  
  
  • глубинные
  
  


• Приливные волны.


• Гравитационные волны:
  
  
  • гравитационные волны на мелкой воде
  
  
  • гравитационные волны на глубокой воде
  
  
  • сейсмические волны (цунами), возникающие в океанах в результате землетрясения (или вулканической деятельности) и достигающие у берегов высоты 10-30 м.
  
  
  • корабельные волны
  
  

Волны состоят из чередующихся между собой валов и впадин. Верх волны называется гребнем, основание волны - подошвой.
В прибрежных районах моря существенны только ветровые волны (волны трения).

Ветровые волны возникают с ветром, с прекращением ветра эти волны в виде мертвой зыби, постепенно затухая, продолжают двигаться в прежнем направлении. Ветровое волнение зависит от величины водного пространства, открытого для разгона волны, скорости ветра и времени действия его в одном направлении, а также глубины. С уменьшением глубины волна становится крутой.
Ветровые волны несимметричны, наветренный склон их пологий, подветренный - крутой. Так как ветер на верхнюю часть волны действует сильнее, чем на нижнюю, гребень волны рассыпается, образуя «барашки». В открытом море "барашки" образуются при ветре, который называется "свежим" (ветер силой 5 баллов и скоростью 8,0-10,7 м/с, или 33 км/ч).
Зыбь - волнение, продолжающееся после ветра уже затихшего, ослабевшего или изменившего направление. Волнение, распространяющееся по инерции при полном безветрии, называется мертвой зыбью.
При встрече волн с разных румбов на некоторой площади образуется толчея . Хаотическое нагромождение волн, образующихся при встрече прямых волн с отраженными - это тоже толчея .
При прохождении волн над банками, рифами и камнями образуются буруны .
Набегание волн на берег с увеличением по высоте и крутизне и последующим опрокидыванием называется прибоем .

Прибой получает разный характер в зависимости от того, какой берег: отмелый (имеющий малые углы наклона и большую ширину подводного склона) или приглубый (имеющий значительные уклоны подводного склона).

Опрокидывание гребня идущей волны на крутой берег образует взбросы , имеющие большую разрушительную силу.

© Юрий Данилевский: Ноябрьский шторм. Севастополь

Когда прибой случается у приглубого берега, круто поднимающегося из воды, то рассыпание волны происходит только при ударе о берег. При этом образуется обратная волна, встречающаяся со следующей за ней и уменьшающая ее силу удара, а затем набегает новая волна и снова ударяет в берег.
Такие удары волн в случае большой зыби или сильного волнения сопровождаются нередко взбросами волн на значительную высоту.

© Шторм в Севастополе, 11 ноября 2007г.

На берегах Черного моря сила удара волны может достигать 25 т на 1 м 2 .
При взбросе волна получает огромную силу. На Шетландских островах, к северу от Шотландии, встречаются обломки гнейсовых скал, доходящие до 6-13 т весом, выброшенные прибоем на высоту до 20 м над уровнем моря.

Бурное продвижение волн и зыби на берег называется накат .

Волны бывают правильные, когда их гребни ясно различимы, и неправильные, когда волны не имеют ясно выраженных гребней и образуются без всякой видимой закономерности.
Гребни волн перпендикулярны направлению ветра в открытом море, озере, водохранилище, но у берега они принимают положение, параллельное береговой черте , набегая на берега.
Направление распространения волны в открытом море обозначается на поверхности воды семейством параллельных полос пены - следа разрушающихся гребней волны.

Пока мы рассмотрели только одномерные (1-d ) волны, то есть волны, распространяющиесяв струне, в линейной среде. Не менее знакомы нам двумерные волны в форме длинных горных хребтов и впадин на двумерной поверхности воды. Следующий шаг при обсуждении волн нам предстоит сделать в пространство двух (2-d ) и трех (3-d ) измерений. Опять-таки никакие новые физические принципы не будут использоваться; задача состоит просто в описании волновых процессов.

Мы начнем обсуждение, вернувшись к той простой ситуации, с которой начиналась эта глава - одиночный волновой импульс . Однако теперь это будет не возмущение на струне, а всплеск на поверхности водоема. Всплеск оседает под своим собственным весом, а смежные с ним области, испытывая повышенное давление, подымаются , начиная распространение волны. Этот процесс “в разрезе” изображен на рис. 7-7(a) . Дальнейшая логика рассмотрения ситуации точно такая же, что уже была использована при изучении эффектов, возникающих после резкого удара по центральной части струны. Но на сей раз волна может перемещаться во всех направлениях. Не имея причин предпочесть одно какое-то направление другому, волна распространяется во всехнаправлениях. Результат - знакомый всем расширяющийся круг ряби на поверхности тихого водоема, см. рис. 7-7 (b) .

Хорошо знакомы нам и плоские волны на поверхности воды - те волны, гребни которых образуют длинные, иногда практически параллельные, линии на поверхности воды. Это те самые волны, которые периодически накатывают на берег. Интересной особенностью волн такого типа является тот способ, которым они преодолевают препятст-вия - например, дыры в непрерывной стене волнолома . Рисунок 7-8 иллюстрирует этот процесс. Если размер отверстия сравним с длиной волны, то каждая последовательная волна создает в пределах отверстия всплеск, который, как и на рис. 7-7, служит источником круглой ряби в акватории порта. В результате между волнорезом и берегом возникают концентрические , “кольцевые ” волны.

Это явление известно как дифракция волн. Если же ширина дыры в волноломе будет намного больше, чем длина волны, то этого не случится - прошедшие через препятствие волны сохранят свою плоскую форму, разве что на краях волны возникнут слабые искажения

Подобно волнам на поверхности воды, существуют и трехмерные волны (3-d –волны). Здесь самый знакомый пример - это звуковые волны. Гребень звуковой волны - это область сгущения молекул воздуха. Рисунок, аналогичный рис. 7-7 для трехмерного случая представлял бы расширяющуюся волну в форме сферы.

Все волны обладают свойством преломления . Это эффект, который возникает когда волна проходит через границу двух сред, и попадает в среду, в которой она движется более медленно. Особенно наглядно выглядит этот эффект в случае плоских волн (см. рис. 7-9 ). Та часть плоской волны, которая оказалась в новой, “медленной”, среде движется в ней с меньшей скоростью. Но поскольку эта часть волны неизбежно остается связанной с волной в “быстрой” среде, её фронт (пунктирная линия в нижней части рис.7-9) должен изломиться, то есть приблизиться к границе раздела двух сред, как это и показано на рис. 7-9.

Если же изменение скорости распространения волны происходит не скачком, а постепенно, то и поворот фронта волны будет происходить тоже плавно. Это, кстати, объясняет причину того, почему волны прибоя, независимо от того, как они двигались в открытой воде, почти всегда параллельны береговой линии. Дело в том, что с уменьшением толщины водного слоя скорость волн на его поверхности уменьшается , поэтому у берега, где волны попадают в область мелководья, они замедляются. Постепенный поворот их фронта и делает волны практически параллельными береговой линии.

ВОЛНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ . Под влиянием различных причин частицы поверхностного слоя жидкости могут прийти в колебательное движение. Такое движение охватывает все более и более далекие участки поверхности - по поверхности начинает распространяться волна. Как и при возникновении других видов волн, колебания могут происходить по закону синуса, но только при непременном условии, что амплитуда колебаний частицы мала по сравнению с длиной волны. Длиной волны называется расстояние между двумя точками, где колебания оказываются в одной и той же фазе. Расстояние по вертикали от гребня до подошвы называется высотой волны. Примером таких синусоидальных волн могут служить волны приливов: у них длина достигает сотен км , между тем как высота составляет обычно 1/300 или даже 1/500 ее часть. В большинстве же случаев высотой волны нельзя пренебрегать по сравнению с ее длиной.

По сравнению с простыми поперечными колебаниями характер движения частиц жидкости всегда осложняется: они не просто поднимаются и опускаются по вертикальным направлениям, а описывают некоторые замкнутые орбиты, круговые или эллиптические. Первый тип орбит соответствует случаю, когда глубина очень велика по сравнению с длиной волны, а второй - самому общему случаю, когда длина волны или больше расстояния до дна или, вообще говоря, соизмерима с ним. Можно показать, что при подобных вращательных движениях частиц профиль волны будет трохоидальным. Трохоида м. б. построена по точкам, если мы проследим, какой путь описывает точка, которая лежит на некотором расстоянии от центра круга, катящегося по прямой; в то же самое время точка, лежащая на самой окружности такого круга, опишет, очевидно, циклоиду.

На фиг. изображено возникновение трохоидального профиля при вращательных движениях частиц водной поверхности. Но волновое движение не ограничивается одним только поверхностным слоем жидкости: волнение охватывает и лежащие ниже слои, только радиусы орбит частиц здесь непрерывно убывают с увеличением глубины. Закон убывания радиусов таких окружностей выражается формулой:

где r - радиус орбиты частицы, лежащей на некоторой глубине z, а - радиус орбиты частицы, лежащей на самой поверхности (половина высоты волны), е - основание натуральной системы логарифмов, λ - длина волны. Практически можно считать, что волнение прекращается на глубинах, больших длины волны. Скорость распространения волны v выражается, в самом общем виде, формулой:

Здесь g - ускорение силы тяжести, δ - плотность жидкости, α - ее поверхностное натяжение; через β для краткости обозначено отношения ======4 H – глубина жидкого слоя (от поверхности до дна); остальные обозначения те же, что указывались выше. Формула принимает более простой вид в трех частных случаях.

а) Приливные волны. Длина волны весьма велика по сравнению с глубиной Н. Здесь т. е. скорость распространения зависит только от глубины. б) Глубина волны весьма велика по сравнению с ее длиной, но размеры волны все же настолько значительны, что капиллярными силами можно пренебречь. В этом случае оказывается, что т. е. скорость распространения зависит лишь от длины волны. Такая формула хорошо выражает скорость обычных морских волн. в) Чрезвычайно короткие, т. н. капиллярные волны. Здесь главную роль играют междучастичные силы, сила тяжести отступает на второй план. Скорость распространения оказывается равной Как видим, в противоположность случаю (б), здесь скорость оказывается тем большей, чем короче волна.

Профиль волны очень сильно меняется под воздействием некоторых внешних факторов. Так, во время ветра передняя сторона волны делается значительно круче задней; при больших скоростях ветер может даже разрушать гребни волн, срывая их и образуя т. н. «барашки». При переходе волны с глубокого места на мелководье форма ее также изменяется; при этом энергия частиц толстого слоя воды передается слою меньшей толщины. Вот почему так опасен прибой около берегов, возле которых амплитуда колебаний частиц может значительно превысить их амплитуду в открытом море, где глубина водного слоя была велика.

Попробуйте при случае подсчитать, сколько цветов в в радуге. Эту задачу выполнить невозможно. Между полосами красной и оранжевой, синей и голубой, как и между любыми соседними полосами, нет резких границ: между ними имеется много переходных тонов. Не все оттенки цветов способен различать глаз. Часто трудно и определить: то ли цвет «ближе к синему», то ли «ближе к голубому».

Нельзя ли в таком случае для каждого луча найти характери­стику более точную, чем его цвет? Физики нашли такую харак­теристику - и очень точную.

Это произошло благо­даря тому, что были откры­ты волновые свойства света.

Что такое волны и ка­ковы их свойства?

Ради наглядности мы познакомимся сначала с вол­нами на поверхности воды.

Каждый знает, что во­дяные волны бывают раз­ные. По пруду проносится едва заметная зыбь, слегка качающая пробку рыболова; на морских просторах огромные во­дяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличают­ся волны друг от друга? Чтобы ответить на этот во­прос, рассмотрим, как воз­никают водяные волны.

В качестве возбудителя волн на воде мы возьмём прибор, показанный на рис. 3. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б, стерженёк В ритмично движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются волны в виде кругов с одним центром (рис. 4). Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между со­седними гребнями или впади­нами называется длиной волны и обычно обозначается грече­ской буквой X (лямбда). Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть и частоту колебаний стерженька, вдвое. Тогда число волн, появляющихся за то же время, будет вдвое больше. Но длина волн будет теперь вдвое меньше. Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой V (ню).

Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет её вверх, а последующая впадина опустит вниз. За секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны V. Значит, пробка будет колебаться с частотой V, Так, обнаруживая действие волн, мы можем установить их частоту в любом месте их распро­странения.

Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется V волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке. Первая волна, обра­зовавшаяся в начале секунды, дойдёт до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на частоту. Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны V. Итак, = Если известна длина волны и скорость распространения волн, то

Можно определить частоту V, а именно: V - у.

Частота и длина волн являются их существенными харак­теристиками; по этим характеристикам одни волны отличают от других.

Кроме частоты (или длины волны), вблны отличаются ещё и высотой гребней (или глубиной впадин). Высота волны измеряется от горизонтального уровня покоящейся поверхно­сти воды. Она называется амплитудой.

Эволюция света Современный мир светится яркими красками даже с космоса: космические станции и экипаж на борту могут лицезреть удивительную картину ночью: светящаяся паутина из ярких городских огней. Это – продукт …

Н Аш рассказ подходит к концу. Мы узнали теперь, какое мощное теоретическое и практическое оружие получил человек, изучая законы возникновения и распространения света, и как сложен был путь познания этих …

Современная промышленность предъявляет исключительно высокие требования к качеству металлов. Современные маши­ны и инструменты работают в самых разнообразных режимах температур, давлений, скоростей, электрических и магнит­ных полей. Возьмём, к примеру, режущий инструмент. …

Мы уже упоминали о волнах, образование которых обусловлено не силой упругости, а силой тяжести. Именно поэтому нас не должно удивлять, что волны, распространяющиеся по поверхности жидкости, не являются продольными. Однако они не являются и поперечными: движение частиц жидкости здесь более сложное.

Если в какой-либо точке поверхность жидкости опустилась (например, в результате прикосновения твердым предметом), то под действием силы тяжести жидкость начнет сбегать вниз, заполняя центральную ямку и образуя вокруг нее кольцевое углубление. На внешнем крае этого углубления все время продолжается сбегание частиц жидкости вниз, и диаметр кольца растет. Но на внутреннем крае кольца частицы жидкости вновь «выныривают» наверх, так что образуется кольцевой гребень. Позади него опять получается впадина, и т. д. При опускании вниз частицы жидкости движутся, кроме того, назад, а при подъеме наверх они движутся и вперед. Таким образом, каждая частица не просто колеблется в поперечном (вертикальном) или продольном (горизонтальном) направлении, а, как оказывается, описывает окружность.

На рис. 76 темными кружками показано положение частиц поверхности жидкости в некоторый момент, а светлыми кружками - положение этих частиц немного времени спустя, когда каждая из них прошла часть своей круговой траектории. Эти траектории показаны штриховыми линиями, пройденные участки траекторий - стрелками. Линия, соединяющая темные кружки, даст нам профиль волны. В изображенном на рисунке случае большой амплитуды (т. с. радиус круговых траектории частиц не мал по сравнению с длиной волны) профиль волны совсем не похож на синусоиду: у него широкие впадины и узкие гребни. Линия, соединяющая светлые кружки, имеет ту же форму, но сдвинута вправо (в сторону запаздывания фазы), т, е. в результате движения частиц жидкости по круговым траекториям волна переместилась.

Рис. 76. Движение частиц жидкости в волне на ее поверхности

Следует заметить, что в образовании поверхностных волн играет роль не только сила тяжести, но и сила поверхностного натяжения (см. том I, § 250), которая, как и сила тяжести, стремится выровнять поверхность жидкости. При прохождении волны в каждой точке поверхности жидкости происходит деформация этой поверхности - выпуклость становится плоской и затем сменяется вогнутостью, и обратно, в связи с чем меняется площадь поверхности и, следовательно, энергия поверхностного натяжения. Нетрудно понять, что роль поверхностного натяжения будет при данной амплитуде волны тем больше, чем больше искривлена поверхность, т. е. чем короче длина волны. Поэтому для длинных волн (низких частот) основной является сила тяжести, но для достаточно коротких волн (высоких частот) на первый план выступает сила поверхностного натяжения. Граница между «длинными» и «короткими» волнами, конечно, не является резкой и зависит от плотности поверхностного натяжения. У воды эта граница соответствует волнам, длина которых около , т. е. для более капиллярных волн преобладают силы поверхностного натяжения, а для более длинных – сила тяжести.

Несмотря на сложный «продольно-поперечный» характер поверхностных волн, они подчиняются закономерностям, общим для всякого волнового процесса, и очень удобны для наблюдения многих таких закономерностей. Поэтому мы остановимся несколько подробнее на способе их получения и наблюдения.

Для опытов с такими волнами можно взять неглубокую ванну, дном которой служит стекло, площадь которого около . Под стеклом на расстоянии можно поместить яркую лампочку, позволяющую спроецировать этот «пруд» на потолок или экран (рис. 77). На тени в увеличенном виде можно наблюдать все явления, происходящие на поверхности воды. Для ослабления отражения волн от бортов ванны поверхность последних делается рифленой и сами борта - наклонными.

Рис. 77. Ванна для наблюдения волн на поверхности воды

Наполним ванну водой примерно на глубину и коснемся поверхности воды концом проволоки или острием карандаша. Мы увидим, как от точки прикосновения разбегается кольцевая морщинка. Скорость ее распространения невелика (10-30 см/с), поэтому можно легко следить за ее перемещением.

Укрепим проволоку на упругой пластинке и заставим ее колебаться, причем так, чтобы при каждом колебании пластинки конец проволоки ударял по поверхности воды. По воде побежит система кольцевых гребней и впадин (рис. 78). Расстояние между соседними гребнями или впадинами , т. е. длина волны, связано с периодом ударов уже известной нам формулой ; - скорость распространения волны.

Рис. 78. Кольцевые волны

Рис. 79. Прямолинейные волны

Линии, перпендикулярные к гребням и впадинам, показывают направления распространения волны. У кольцевой волны направления распространения изображаются, очевидно, прямыми линиями, расходящимися из центра волны, как это показано на рис. 78 штриховыми стрелками. Заменив конец проволоки ребром линейки, параллельным поверхности воды, можно создать волну, имеющую форму не концентрических колец, а параллельных друг другу прямолинейных гребней и впадин (рис. 79). В этом случае перед средней частью линейки мы имеем одно-единственное направление распространения.

Кольцевые и прямолинейные волны на поверхности дают представление о сферических и плоских волнах в пространстве. Небольшой источник звука, излучающий равномерно во все стороны, создает вокруг себя сферическую волну, в которой сжатия и разрежения воздуха расположены в виде концентрических шаровых слоев. Участок сферической волны, малый по сравнению с расстоянием до ее источника, можно приближенно считать плоским. Это относится, конечно, к волнам любой физической природы - и к механическим, и к электромагнитным. Так, например, любой участок (в пределах земной поверхности) световых воли, приходящих от звезд, можно рассматривать как плоскую волну.

Мы неоднократно будем далее пользоваться опытами с описанной выше водяной ванной, так как волны на поверхности воды делают очень наглядными и удобными для наблюдения основные черты многих волновых явлений, включая и такие важные явления, как дифракция и интерференция. Мы используем волны в водяной ванне для получения ряда общих представлений, сохраняющих значение и для упругих (в частности, акустических), и для электромагнитных волн. Там, где можно осуществить наблюдение более тонких особенностей волновых процессов (в частности, в оптике), мы остановимся более подробно на истолковании этих особенностей.