ВО́ЛНЫ НА ПОВЕ́РХНОСТИ ЖИ́ДКОСТИ

ВО́ЛНЫ НА ПОВЕ́РХНОСТИ ЖИ́ДКО­СТИ, бе­гу­щие воз­му­ще­ния сме­ще­ний час­тиц жид­ко­сти или её дав­ле­ния, ам­пли­ту­да ко­то­рых убы­ва­ет с уда­ле­ни­ем от по­верх­но­сти. В. на п. ж. мо­гут за­пол­нять боль­шие пло­ща­ди, со­сто­ять из не­сколь­ких волн (цуг) и да­же од­но­го греб­ня или впа­ди­ны (уе­ди­нён­ная вол­на, со­ли­тон). Пе­рио­ды В. на п. ж. ле­жат в диа­па­зо­не от не­сколь­ких су­ток до до­лей се­кун­ды, дли­ны – от ты­сяч ки­ло­мет­ров до до­лей мил­ли­мет­ра, ам­пли­ту­ды – от де­сят­ков мет­ров до до­лей мик­ро­мет­ра. Тип вол­ны, фа­зо­вая и груп­по­вая ско­ро­сти за­да­ют­ся дис­пер­си­он­ным со­от­но­ше­ни­ем $ω=ω(\boldsymbol k)$ – функ­ци­ей час­то­ты $ω$ от вол­но­во­го век­то­ра $\boldsymbol k$. Наи­бо­лее низ­ко­час­тот­ные В. на п. ж. – инер­ци­он­ные вол­ны – обу­слов­ле­ны си­лой Ко­рио­ли­са; вол­ны про­ме­жу­точ­ной час­то­ты – гра­ви­та­ци­он­ные В. на п. ж. – си­лой тя­же­сти с ус­коре­ни­ем $\boldsymbol g$. Ко­рот­кие и вы­со­ко­час­тот­ные В. нап. ж. – ка­пил­ляр­ные вол­ны – соз­да­ют­ся си­ла­ми по­верх­но­ст­но­го на­тяже­ния. У ко­рот­ких гра­ви­та­ци­он­ных В. на п. ж. ($λ < 5H$, где $λ=2π/𝑘$ – дли­на вол­ны, $H$ – глу­би­на во­до­ёма) фа­зо­вая ско­рость боль­ше груп­по­вой и рас­тёт с дли­ной вол­ны (пря­мая дис­пер­сия). Час­ти­цы в них опи­сы­ва­ют ок­руж­но­сти, ра­ди­ус ко­то­рых убы­ва­ет с глу­би­ной. Ско­рость длин­ных В. на п. ж. ($λ > 10H$) не за­ви­сит от $λ$ (вол­ны без дис­пер­сии); час­ти­цы в них дви­жут­ся по эл­лип­сам с убы­ваю­щей вер­ти­каль­ной осью. Ка­пил­ляр­ные В. на п. ж. об­ла­да­ют об­рат­ной дис­пер­си­ей, их груп­по­вая ско­рость боль­ше фа­зо­вой. Бы­ст­рые ка­пил­ляр­ные В. на п. ж. рас­по­ла­га­ют­ся пе­ред пре­пят­ст­ви­ем, мед­лен­ные гра­ви­та­ци­он­ные – по­за­ди не­го. Ско­рость наи­бо­лее мед­лен­ных В. на п. ж. оп­ре­де­ля­ет раз­мер об­лас­ти спо­кой­ной во­ды, от­де­ляю­щей цуг не­ста­цио­нар­ных волн от им­пульс­но­го ис­точ­ни­ка, напр. бро­шен­но­го в во­ду кам­ня. Вбли­зи по­верх­но­сти вяз­кой жид­ко­сти вол­ны об­ра­зу­ют пе­рио­дич. по­гранич­ный слой тол­щи­ной $\delta =\sqrt{2\nu /\omega }$, где $ν$ – ки­не­ма­тич. вяз­кость. В. на п. ж. и со­пут­ст­вую­щие по­гра­нич­ные слои пе­ре­но­сят энер­гию и ве­ще­ст­во.

Кар­ти­ну В. на п. ж. ус­лож­ня­ет ин­тер­фе­рен­ция волн (на­ло­же­ние волн от разл. ис­точ­ни­ков), реф­лек­сия (от­ра­же­ние от не­ров­но­стей дна и бе­ре­гов), реф­рак­ция (ис­крив­ле­ние и по­во­рот вол­но­вых фрон­тов на не­ров­ном дне), ди­фрак­ция (про­ник­но­ве­ние в об­ласть гео­мет­ри­че­ской те­ни), а так­же не­ли­ней­ное взаи­мо­дей­ст­вие с вол­на­ми на по­верх­но­сти и внут­ри жид­ко­сти, по­гра­нич­ны­ми слоя­ми, те­че­ния­ми, вих­ря­ми и вет­ром. С рос­том ам­пли­ту­ды раз­ли­чия в свой­ст­вах вол­ны и по­гра­нич­но­го слоя сти­ра­ют­ся, фор­ми­ру­ет­ся еди­ная вол­но­вих­ре­вая сис­те­ма («ки­пя­щая сте­на во­ды», «вол­на-убий­ца»), об­ла­даю­щая боль­шой раз­ру­ши­тель­ной си­лой. В. на п. ж. рас­па­да­ют­ся, ес­ли ус­ко­ре­ние в них пре­вос­хо­дит $g$ и ам­пли­ту­да $A > λ/2π$.

В. на п. ж. в океа­нах об­ра­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем при­тя­же­ния Лу­ны и Солн­ца (наи­бо­лее вы­ра­же­ны при­лив­ные вол­ны с пе­рио­да­ми, крат­ны­ми 12 ч 25 мин – по­ло­ви­не лун­ных су­ток), зем­ле­тря­се­ний и ополз­ней, ме­няю­щих фор­му дна и бе­ре­гов (цу­на­ми с пе­рио­дом 10–30 мин), из-за воз­дей­ст­вия ат­мо­сфе­ры, об­те­ка­ния пре­пят­ст­вий. Вет­ро­вые вол­ны с пе­рио­дом 2–16 с рас­про­стра­ня­ют­ся со ско­ро­стью 3–25 м/с на боль­шие рас­стоя­ния, об­ра­зуя ре­гу­ляр­ную зыбь и при­бой. Ам­пли­ту­да цу­на­ми, бе­гу­щих в океа­не со ско­ро­стью ок. 700 км/ч, воз­рас­та­ет при под­хо­де к бе­ре­гу, они смы­ва­ют го­ро­да и опус­то­ша­ют при­бреж­ные зо­ны.

В. на п. ж. влия­ют на об­мен ве­ще­ст­вом, энер­ги­ей и им­пуль­сом ме­ж­ду ат­мосфе­рой и гид­ро­сфе­рой, спо­соб­ст­ву­ют на­сы­ще­нию во­ды ки­сло­ро­дом. Во­зоб­нов­ляе­мая энер­гия В. на п. ж. ис­поль­зу­ет­ся при­лив­ны­ми элек­тро­стан­ция­ми и ус­та­нов­ка­ми, не­по­сред­ст­вен­но пре­об­ра­зую­щи­ми её в элек­три­че­скую.

См. так­же Вол­ны в океа­не.