Как ветер передает энергию волнам


Часто поэты и писатели образно отождествляют волны с живыми существами. Ученые, занятые изучением волн, для объяснения их природы также пользуются терминами, применяемыми к живым существам.

Так, например, ученые широко используют понятие «возраст волн». Возрастом волн называют отношение скорости распространения волны к скорости ветра.

Изучение волн показало, что чем дольше живут волны, созданные действием ветра на водную поверхность, тем с большей скоростью они распространяются. Как мы видели выше, скорость орбитальных движений частиц воды и скорость перемещения формы волны связаны между собой через период и длину волны. Действие же ветра на водную поверхность приводит к увеличению орбитальных скоростей, а следовательно, и к увеличению скорости перемещения формы волны.

Чтобы проследить, как и почему меняется возраст волны, рассмотрим более подробно, как на нее действует ветер. Достаточно взглянуть на водную поверхность, на которой под действием ветра развиваются волны, чтобы заметить некоторую несимметричность ветровых волн. Ведь волны, вызванные ветром, распространяются в том направлении, в котором их гонит ветер. Так вот, та часть гребня волны, которая обращена к ветру, всегда оказывается более пологой, чем его противоположный склон (рис. 5). Это происходит оттого, что ветер давит на вершины гребней, поэтому вершины гребней оказываются как бы смещенными в том направлении, в котором распространяется волна. Таким образом, даже по виду волн можно установить, как ветер действует на волну. Но этим не ограничивается действие ветра.

Между воздухом и водой существует трение. По этой причине воздух, проносясь над поверхностью воды, несколько ускоряет орбитальные движения частиц на гребнях волн и замедляет эти движения у подошв волн, так как в последнем случае частицы движутся по орбитам против ветра. Однако ускоряющее действие ветра на орбитальные движения оказывается все же значительно большим по сравнению с замедляющим.

Таким образом, чем дольше действует ветер на водную поверхность, тем большие и большие скорости он придает орбитальным движениям частиц воды. Вместе с увеличением скоростей орбитальных движений частиц растет и скорость перемещения формы волны. В результате возраст волны, то есть отношение скорости распространения формы волны к скорости ветра, возрастает, приближаясь к единице. Даже в том случае, когда скорость волны будет равна скорости ветра, то есть возраст волны будет равен единице, ветер будет действовать ускоряюще на орбитальные движения частиц воды, так как скорость ветра превышает скорости орбитальных движений' частиц воды. Но приближение возраста волны к единице существенно отражается на влиянии ветра на волну. Ведь если волна бежит по поверхности со скоростью ветра, то ветер уже перестает давить на тыловую поверхность гребней волн. Это сказывается на форме волн, — она становится более правильной. Энергия ветра з этом

случае уже не затрачивается на увеличение высоты волн. Высота волн в этом случае достигает наибольшей величины, которая может образоваться при заданной скорости ветра. Исследованиями установлено, что высоты волн растут до возраста волн, равного 0,8, или, точнее, до возраста 0,78. В дальнейшем, если скорость ветра остается неизменной, его энергия затрачивается только на увеличение скорости волны н на увеличение ее. длины. Наконец, если ветер начинает стихать и возраст волны становится больше 0,8, волна превращается в зыбь. Теперь уже начинается процесс увеличения длины волны за счет ее высоты. Волны становятся все более и более пологими. Это происходит как из-за увеличения длины волн, так и из-за уменьшения их высоты.