Как возникают и развиваются волны


Если взглянуть на море, когда на нем развивается ветровое волнение, то у наблюдателя обязательно возникает вопрос: о каких же высотах, длинах, периодах и скоростях идет речь? Ведь на поверхности моря в одно и то же время наблюдается множество самых разнообразных по своим размерам волн: от волн высотой более 10 метров и длиной в несколько десятков метров до волн, только что зарождающихся, с высотой несколько миллиметров.

Как же одновременно могут существовать все эти волны? Для ответа на этот вопрос необходимо проследить за тем, как возникают и развиваются волны.

Всякое дуновение ветра, скорость которого превышает 1,1 метра в секунду, приводит к появлению ряби на зеркально гладкой поверхности моря. Так как скорость ветра не равномерна, а ветер, имеющий скорость менее или даже равную 1,1 метра в секунду, не может вызвать даже самой легкой ряби на поверхности моря, то на зеркально гладкой поверхности нередко можно наблюдать появление ряби отдельными пятнами. Обычно пятна ряби то появляются, то исчезают, затем появляются в новом месте.

Рябь представляет собой волны малой высоты и малой длины. Периоды этих волн также очень малы. Большие волны, о которых шла речь выше, имеют ту особенность, что с увеличением длины этих волн возрастает скорость их перемещения. Малые же волны, или, как их обычно называют, капиллярные волны (эти волны названы капиллярными, потому что при их образовании основную роль играют силы поверхностного натяжения и трения между водой и воздухом; сила же поверхностного натяжения наилучшим образом проявляется в капиллярных трубках), наоборот, распространяются тем с большими скоростями, чем меньше длина этих волн.

Основной отличительной чертой капиллярных волн является то, что сила поверхностного натяжения при их развитии играет значительно большую роль, чем сила тяжести. Это объясняется тем, что размеры капиллярных волн очень невелики, мала и масса воды, вовлекаемая в движение каждой отдельной волной. В то же время силы сцепления между молекулами, развивающиеся на поверхности воды, достигают больших величин по сравнению с весом центра тяжести гребня и подошвы волны, отклонившихся от положения равновесия. Капиллярные волны имеют большую крутизну, то есть длина волны не так сильно отличается по своим размерам от высоты. Они возникают раньше других и наблюдаются на поверхности моря в течение всего времени действия ветра на водную поверхность. Эти малые волны складываются друг с другом и довольно быстро затухают из-за трения, но в общем способствуют вовлечению в движение все больших и больших масс воды. Критическим пределом существования капиллярных волн является длина 17 миллиметров и скорость около 0,23 сантиметра в секунду.

Когда капиллярные волны достигают этого предела, они так или иначе превращаются в обычные волны, для которых сила тяжести играет большую роль, чем поверхностное натяжение. С того момента, как капиллярная волна переросла указанные выше пределы и волна стала обычной, как говорят, гравитационной, то есть развивающейся под действием силы тяжести благодаря непрекращающемуся действию ветра, размеры всех элементов этой волны будут возрастать — будут расти высота, длина и период волны. Это будет происходить как за счет увеличения размеров каждой отдельной волны, так и за счет сложения волн. Но не следует забывать, что с переходом некоторой серии капиллярных волн в разряд гравитационных нарождается новая серия капиллярных волн, которая будет также переходить в гравитационные. И так будет происходить до тех пор, пока не стихнет ветер. Таким образом, большие гороподобные волны на море представляют собой сумму многих постепенно развивающихся серий волн. Вот почему, глядя на поверхность моря при развивающемся волнении, наблюдатель обнаруживает бесчисленное множество волн самых разнообразных размеров.