Сдвиговое течение нарушило симметрию волн на воде

Физики экспериментально доказали, что симметрия волн на воде может нарушаться при определенных условиях — ранее возможность этого была показана лишь теоретически. Благодаря этому, в частности, можно создавать корабельные волны, не похожие на обычный след от судна, а также превращать расходящиеся круги от упавшего в воду тела в овалы. Оказывается, для этого необходимо создать сдвиговое течение, пишут авторы в Journal of Fluid Mechanics.

Когда лодка движется по спокойной поверхности воды, то за ней появляется V-образный след из кильватерных волн, симметричных относительно направления перемещения. Долгое время считалось, что, помимо случая мелкой воды, этот след должен всегда образовывать угол около 39 градусов — этот результат получил лорд Кельвин в XIX веке. В частности, это свойство не должно зависеть от размера судна: каноэ и супертанкер порождают волны одинаковой геометрии. Другим хорошо известным примером поверхностных волн являются круги на воде от брошенного камня. В обычной ситуации они всегда концентрические, то есть симметричны относительно точки падения тела.

Однако ближе к концу XX века появились теоретические результаты, которые утверждали о взаимосвязи поверхностных волн и потоков жидкости. Такая ситуация отнюдь не редка и возникающие эффекты необходимо учитывать при расчете нагрузки на корпусы судов и морских конструкций, при расчете распространения питательных и загрязняющих веществ, в особенности вблизи дельт рек, что исключительно важно в контексте изучения климата, но лишь относительно недавно такие расчеты стали включаться в численные модели.

В 2014 году Симен Эллингсен (Simen Ellingsen) из Норвежского университета естественных и технических наук в Тронхейме теоретически описал влияние сильного сдвигового течения на поверхностные волны. Такое течение характеризуется тем, что параллельные поверхности скорости элементов жидкости отличаются в зависимости от глубины. В частности, из его работы следовало, что известный результат Кельвина справедлив не всегда — угол между волнами позади корабля может отличаться от 39 градусов, а круги от брошенного камня можно исказить и сделать не концентрическими.

Ярким примером важности сдвиговых течений является дельта североамериканской реки Колумбия, иногда даже называемая «Кладбищем Тихого океана» из-за большого количества кораблекрушений. В этой области крутизну опрокидывающихся волн нельзя предсказать точнее 20 процентов, если игнорировать сдвиговое течение. Также в этом регионе связанное с волнами сопротивление для небольших судов, обычно отвечающее примерно за треть расхода топлива, оказалось отличающимся до трех и более раз между различными направлениями движения.

В новой работе под руководством Эллингсена предсказания его теоретической статьи впервые воспроизвели в режиме контролируемого эксперимента. Опыты заключались в создании высокого вертикального градиента горизонтальной скорости в небольшом бассейне и записи получающихся узоров из волн.

В результате авторам удалось доказать теоретические выводы, то есть получить несимметричные кильватерные волны, корабельные следы с отличным от 39 градусов углом, искаженные и неконцентрические «круги» от точечного возмущения поверхности. Также оказалась заметна разница в волновом узоре в зависимости от взаимной ориентации скорости движения судна и подповерхностного течения. Ученые отмечают, что полученные результаты могут пригодиться не только в судоходстве, но и при моделировании движения ураганов и оценках связанных с ними рисков.

Ранее физики научились перемещать тяжелые бусинки с помощью вибрирующей поверхности и использовать звуковые волны для нанесения на шоколад узора из микрокапель меда. Также ученые нашли необычный пример озера, волны на котором оказались причиной микроземлетрясений.

Тимур Кешелава