мертвая зыбь что это такое
Мёртвая зыбь
Мёртвая зыбь — обозначение волн на водной поверхности, имеющих место при отсутствии прямого, непосредственного воздействия на неё внешней среды (например, ветров, подземных толчков и т. п.). После прекращения воздействия ветра продолжающееся волнообразное движение вызывается процессами, происходящими зачастую в весьма отдалённых регионах моря либо океана. При появлении мёртвой зыби постепенно уменьшается высота волны и увеличивается её длина. Так, на Средиземном море длина волны в этом случае обычно не превышает 150 метров. На малых глубинах и у берега высота волны вновь может увеличиваться, создавая прибой. При отсутствии ветра в состоянии мёртвой зыби на море волны могут перехлёстывать и сталкиваться друг с другом. В то же время формирующие движение волн ветры, дующие даже на значительном расстоянии от места наблюдения над районом с мёртвой зыбью, могут оказывать влияние на высоту волны здесь. Так, западные ветры, дующие на обширных просторах северной Атлантики, формируют в Северном море зоны мёртвой зыби с большей высотой волны, чем дующие в этом направлении восточные ветры.
Полезное
Смотреть что такое «Мёртвая зыбь» в других словарях:
мёртвая зыбь — зыбь при полном безветрии; волны свободные, правильной формы, длинные, пологие. * * * МЕРТВАЯ ЗЫБЬ МЕРТВАЯ ЗЫБЬ, зыбь (см. ЗЫБЬ) при полном безветрии; волны свободные, правильной формы, длинные, пологие … Энциклопедический словарь
Мёртвая зыбь — МЁРТВЫЙ, ая, ое; мёртв, мертва, мёртво и мертво. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
МЁРТВАЯ ЗЫБЬ — зыбь при полном безветрии; волны свободные, правильной формы, длинные, пологие … Естествознание. Энциклопедический словарь
мёртвая зыбь — см. мёртвый … Словарь многих выражений
зыбь — и; ж. 1. Незначительное колебание водной поверхности, рябь. З. на озере. Лёгкая з. / О волнообразном колебании растительности. З. осеннего поля. Рожь подёрнулась зыбью. 2. мн. род. зыбей. Трад. поэт. Волны. * Смиренный парус рыбарей. Скользит… … Энциклопедический словарь
зыбь — длинные (до 300 400м) и пологие морские волны высотой до 10 15м, распространяющиеся и при полном безветрии (мёртвая зыбь). Возникает в результате действия отдалённого шторма или после продолжительного ветра. Может распространяться на расстояние в … Морской биографический словарь
зыбь — и; ж. 1) а) Незначительное колебание водной поверхности, рябь. Зыбь на озере. Лёгкая зыбь. б) расш. О волнообразном колебании растительности. Зыбь осеннего поля. Рожь подёрнулась зыбью. 2) мн. род., зыбе/й, трад. поэт. Волны … Словарь многих выражений
ЗЫБЬ — ЗЫБЬ, и, жен. Лёгкая рябь на водной поверхности, а также слабое волнообразное колебание верхушек растений на большом пространстве. З. на озере. Мёртвая з. По верхушкам берёз прокатилась лёгкая з. Ржаное поле подёрнулось зыбью. Толковый словарь… … Толковый словарь Ожегова
Зыбь — мёртвая, свободные колебания поверхности океана или моря при полном безветрии. Представляют собой длинные и пологие волны высотой до 10 15 м, длиной до 300 400 м и периодом до 17 20 сек. Возникают в результате преобразования ветровых волн … Большая советская энциклопедия
Операция «Трест» (фильм) — Операция «Трест» Жанр Исторический фильм Режиссёр Сергей Колосов Автор сценария Александр Юровский В … Википедия
Мёртвая зыбь
Василий Букреев
В современном естествознании наблюдается узкая специализация. Природа же едина в своих проявлениях. Но в каждой из отраслей знаний накоплен такой объём информации, что один человек не в состоянии объять необъятное. Тем не менее, несомненные достоинства узкой специализации имеют и свои недостатки. Новые знания из одной отрасли в другую проникают с большим запозданием или вообще не проникают.
Механизм формирования мёртвой зыби
Наиболее разительным примером является вихревое движение. Вихри Тейлора и вихри Бенара, открытые в начале прошлого века даже в самой гидродинамике не нашли применения. В конце же прошлого века экспериментально было определено [1], что когерентная система вихрей Тейлора возникает в пограничном слое на поверхности твёрдого тела (закон сохранения момента количества движения требует при этом формирования парных вихрей, двигающихся в противоположные стороны). При этом вихри двигаются по поверхности в направлении перпендикулярном направлению потока. А т.к. они, как единое целое, не разрушаясь в течение какого-то времени, сносятся потоком, то траектория их движения приобретает вид ёлочек.
Траектории движения вихрей
Но эту ситуацию пограничного слоя мы имеем и на границе воздушной и водной среды. Воздушный поток штормового ветра действует на водную поверхность. И в соответствии с работой [1] на водной поверхности обязана формироваться система вихрей Тейлора. Т.к. воздушная граница твёрдым телом не является, то система вихрей Тейлора приобретает вид волн, двигающихся в направлении ветра как единое целое. Т.е. каждая из пар вихрей Тейлора двигается в противоположных направлениях по профилю волны. И чем больше скорость ветра, тем больше касательная составляющая скорости движения вихрей и меньше осевая составляющая их скорости движения.
И конечно же, также как и волны, вихри это не движение самой материи, а движение состояния. Поэтому, участвующие в вихревом движении, частицы воды двигаются на поверхности воды по траектории окружности (почти что не совершая поступательного движения). А в соответствии с законом сохранения момента количества движения в вихревое движение увлекаются и нижележащие слои, частицы которых двигаются уже не по окружностям, а по эллиптическим траекториям, большая ось которых ориентирована по направлению потока. Эту ситуацию приближённо описывает уже классический эксперимент Тейлора.
В классическом эксперименте Тейлора вихри возникали в зазоре между двумя соосными цилиндрами, внутренний из которых вращался. Развернув же вихри рис. 2 в линию, мы и получим представление о ситуации, существующей в ситуации с волнами, сформированными ветром. Конечно же, вертикальные стенки при этом отсутствуют. Поэтому будет отсутствовать и строгая упорядоченность по вертикали. Круг сечения самого вихря с глубиной будет деформироваться в эллипс. Частицы же воды не подозревают о сложном характере движения СОСТОЯНИЯ вихря. Они будут просто двигаться по эллипсам.
Но при длительном воздействии ветра характер движения меняется. Вихри Тейлора на разделе двух сред имеют осевую и касательную компоненту своего движения [1]: т.е. вихрь не только катится в направлении движения ветра, но и двигается поперёк его движения. Движение же частичек воды поперёк направления движения ветра сопровождается трением скольжения. Сила трения скольжения порождает противодействующую силу, направленную перпендикулярно (против направления движения ветра). Эта сила в случае движения вихрей Тейлора по поверхности твёрдого тела разрушает их, что и вынуждает природу вновь и вновь создавать когерентную систему вихрей [1].
Но в рассматриваемом случае мы имеем свободную водную поверхность, которая не ограничена твёрдой поверхностью. Поэтому противодействующая сила, направленная по касательной против направления движения ветра, уменьшает величину силы в вихре Тейлора, имеющую осевое направление. И при длительном воздействии штормового ветра на водную поверхность осевая компонента движения вихрей исчезает. Остаётся одна только касательная компонента движения вихрей Тейлора, что уничтожает гидродинамическое сопротивление, формируемое осевой компонентой движения вихрей.
К тому же ветер действует на вихрь в касательном направлении. А мы уже знаем [3], что действие силы в касательном направлении в качестве противодействия порождает центростремительную силу. Увеличение энергии вихря увеличивает и его размеры. А колесо большего диаметра всегда катится быстрее колеса меньшего диаметра.
Поэтому при длительном действии ветра скорость формируемых им вихрей, противореча канонам современной физики, обязана опережать скорость движения ветра. И вихри начинают бежать впереди ветрового паровоза. А это вновь свидетельствует о том, что в случае вихревого движения закон сохранения энергии не действует. Энергия вихрей больше той энергии, которую сообщает им ветер.
И подобно солитонам на мелкой воде вихри катятся по поверхности, но уже глубокой воды. Для одиночного солитона и для цунами сила гравитации не даёт вихрю подниматься над водной поверхностью. Поэтому цунами и солитон и приобретают вид округлого холма, который просто является сегментом круга. И нелинейные уравнения, используемые для описания солитонов (скажем КДФ или нелинейное уравнение Шредингера), являются игрой математического ума, не имеющей никакого отношения к природной действительности. В случае же последовательности вихрей мы видим только верхнюю их часть, принимая их за волны.
Формирование профиля зыби
Т.к. движения вихря является движением состояния, то в криволинейном секторе частицы воды, вышедшие из одного вихря и не вошедшие ещё в состав второго вихря, формируют гладкую кривую, которая и имитирует профиль волны. В действительности же мы имеем последовательность вихрей, катящуюся по поверхности нижележащей воды.
Согласно классической теории, частицы воды, участвующие в волновом движении на глубокой воде, описывают орбиту, имеющую форму окружности. Высота волны равна диаметру этой окружности. На Международном океанографическом конгрессе в Москве академиком В. В. Шулейкиным была показана неточность этой теории. На основании длительного изучения движения взвешенных частиц в волновом бассейне Гидрофизического института Украинской Академии наук в Крыму было установлено, что даже при глубине, превосходящей высоту волны, частицы воды движутся по эллипсу, большая ось которого направлена в сторону движения волны.
Следовательно, мёртвая зыбь в океанах и в морях является последовательностью вихрей Тейлора, двигающихся в направлении своего вращения. Но какова же причина нарушения мёртвой зыбью закона сохранения энергии? Почему при распространении по океанам и морям мёртвая зыбь практически не теряет своей энергии? Рассмотрим для этого взаимодействие двух вихрей Тейлора из их последовательности.
Взаимодействие двух вихрей Тейлора.
Встретив препятствие, вихри мёртвой зыби имеют обыкновение взбираться наверх по вертикальным стенкам. Для объяснения этого можно сослаться на правило прецессии для вихревого движения, в соответствии с которым возникает противодействующая сила перпендикулярная действующей силе. Но можно и просто сказать, что вихри мёртвой зыби продолжают своё качение, но уже по вертикальной стене до тех пор пока сила гравитации их не остановит.
Вихри мёртвой зыби наносят вред портовым сооружениям. И с ними стараются бороться. Но эта борьба является пустой тратой денег, т.к. при этом не учитывается вихревая природа мёртвой зыби. Ведь с вихрями современная техника уже научилась эффективно бороться. Ведь неважно, какую природу имеют вихри (детерминированную или случайную). А в современных аэродинамических трубах для уничтожения турбулентных вихрей используются решётки.
Поэтому для защиты портовых сооружений от вихрей необходимо использовать ажурные конструкции, подобные решёткам на входе в аэродинамические трубы. Но ещё большую остроту эта проблема приобретает в случае цунами. Ведь цунами это также вихрь Тейлора, но только одиночный. И трагических последствий от недавнего цунами в Японии можно было бы избежать, если бы её побережье было бы защищено ажурными защитными сооружениями.
1. 1. Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226
Ветровые волны и мертвая зыбь
В XX веке исследователи завершили построение основной теории поверхностных волн установившегося типа в идеальной жидкости, т. е. жидкости, в которой малы силы внутреннего трения.
Особо велик вклад в эту область науки, сделанный А. И. Некрасовым, Н. Е. Кочиным, Л. Н. Сретенским: их работы позволили перейти от динамики волн весьма малой высоты к динамике волн, высота которых сравнима с длиной — составляет несколько сотых от длины волн.
Требования практики заставляют продолжать теоретические исследования дальше, искать решение весьма трудных задач о волнах неустановившегося типа в реальной жидкости, обладающей значительным внутренним трением турбулентного происхождения. Приходится ставить специальные опыты в новых лабораторных условиях, близки к природным условиям зарождения, распространения и гашения морских волн.
Широкие возможности открылись перед советскими исследователями после вступления в строй «штормового бассейна», построенного по идее автора в Черноморском отделении Морского гидрофизического института Академии паук СССР. Это — бассейн в форме кольца, с внешним диаметром 40 м, шириной пространства между стенками 2 м и высотой 5 м. Нижние 2,5—3 м заполняются морской водой, а вдоль кольцевого канала над водой посредством мощных центробежных насосов создается непрерывный воздушный поток. Скорость ветра здесь может достигать 19 м/сек, т. е. по шкале Бофорта 9 баллов. Удобнее всего вести опыты при скоростях ветра до 13 м/сек, когда дольше сохраняются условия, близкие к природным: дольше не сказывается влияние трения о стенки бассейна или сказывается так мало, что его можно исключить путем надежных вычислений.
Сперва на гладкой поверхности воды в кольце появляется мелкая рябь капиллярных волн; затем мелкие волны нарастают в высоту и несколько медленней в длину; на некоторой стадии достигается максимум крутизны волн — максимум отношения высоты волн к их длине (его численное значение составляет 0,143). После этого наступает главный этап развития ветровых волн, на котором увеличение длины волн идет быстрее, чем увеличение их высоты; в результате крутизна волн постепенно уменьшается. За всеми этими явлениями удобно наблюдать сквозь застекленную часть стенок бассейна, занимающую одну шестую его окружности. Столь же удобно фотографировать волны из центра кольца, посредством весьма длиннофокусного аппарата.
Профили мертвой зыби, ветровой волны и волны, разрушающейся под действием мелководья
На рисунке видны три характерных снимка волн. На верхнем представлены волны, сфотографированные через несколько минут после того, как были выключены воздуходувки и прекратился ветер в кольцевом канале. Это — мертвая зыбь, волны которой сохраняются в море очень долго после прекращения шторма и свободно распространяются на большие расстояния. Профиль волн очерчен по трохоиде — кривой, у которой и вершины и подошвы напоминают отрезки синусоид, но подошвы более растянуты по сравнению с вершинами.
Снимок посредине запечатлел волны, находящиеся под действием ветра (в прямом смысле — ветровые волны). Здесь отчетливо видно отличие от профиля мертвой зыби: подошва еще более растянута, чем у трохоиды, а на заострившейся вершине возникло ребро, которое свидетельствует о достижении крутизны, предельной в заданных условиях.
Еще в прошлом веке английский гидродинамик Митчел показал, что даже без воздействия ветра может возникнуть на вершине волн такое ребро, при предельном отношении высоты волн к длине, равном 1/7. Причина возникновения этого — критического — состояния не рассматривалась в цитированной работе.
Опыты в штормовом бассейне и теоретический анализ их результатов позволили найти физическую причину заострения вершин волн до появления ребра и причину их разрушения после такого критического состояния. Оказалось, что в основе всех этих интересных явлений лежит пульсация скоростей течений, возникающих одновременно с волнением.
Еще английский математик Стокс в прошлом веке показал, что даже при отсутствии ветра частицы воды на волне описывают не замкнутые окружности, как предполагалось прежде, а своеобразные петли: на круговое движение частиц налагается слабое поступательное движение их, направленное в сторону распространения волн. И сам Стокс, и последующие авторы считали скорость такого «волнового течения» постоянной. Однако в действительности скорость стоксова течения пульсирует около средней величины, достигая максимума у подошвы волн и уменьшаясь до нуля на вершинах. Колебания скорости тем значительней, чем больше отношение высоты волн к длине. При действии ветра на стоксово течение налагается течение дрейфовое, которое пульсирует по тому же закону, но с еще большей амплитудой. Вот почему при сильном ветре на вершинах волн очень рано (значительно ранее крутизны 1/7) возникают острые гребни, ежесекундно готовые обрушиться. Именно так создаются на волнах — при больших скоростях ветра — хорошо известные пенистые «барашки».
Столь же подробно удалось исследовать разрушение вершин волн по другой причине — под действием мелководья; было показано, что фазовая скорость волн не остается постоянной, а достигает максимума на вершине волн и минимума — 1/7 подошвы. Были вычислены профили мертвой зыби и профили метровых волн, искаженных при движении на мелководье, и определены условия разрушения вершин волн, потерявших устойчивость вследствие искажения. Нижний снимок дает представление о том, каким становится профиль волн, искаженный под действием мелководья, — перед самым разрушением вершины волны.
Для практических целей мореплавателей и портостроителей очень важно научиться вычислять размеры волн, которые могут возникнуть через заданный срок действия ветра заданной скорости, на заданном расстоянии от того берега, с которого дует ветер. Вероятно, невозможно — да и не нужно — решать эту задачу, исходя из уравнений движения жидкости. Поэтому еще в 1937 году В. В. Макавеев предложил решать ее на основе закона сохранения энергии.
Энергия волн в каждый момент времени пропорциональна квадрату их высоты. Отсюда следует, что мощность, расходуемая на увеличение высоты волн, пропорциональна скорости нарастания высоты. Эта мощность черпается, у ветра, воздействующего на волны, но, кроме того, ветер обязан покрыть расход мощности на преодоление внутреннего трения в воде, возрастающею при увеличении высоты волн. Постепенно эти потери становятся все значительней и значительней, а потому скорость нарастания высоты волн постепенно уменьшается. Предельная высота волн, возможная при заданной скорости ветра, определяется тем, что мощность, передаваемая волнам от ветра. полностью расходуется на преодоление сил внутреннего трения в воде.
Двадцать три года назад, когда возникла эта первая схема вычисления размеров волн, и в последующие десятилетия оставался неизвестным действительный механизм передачи энергии ветра волнам. Выяснилось, что питание волн энергией ветра безусловно зависит от крутизны волн, т. е. от отношения их высоты к их длине; но не был известен закон, по которому нарастает длина волн, и даже сама причина нарастания их длины.
Лишь в 1954—1955 годах опыты и теоретические исследования, проведенные автором, показали, что ветер как бы «нагнетает» энергию в волны, давя на поверхностные частицы воды с большей силой, когда они опускаются, и с меньшей силой, когда они поднимаются при волновом движении. «Нагнетаемая» мощность пропорциональна квадрату разности между скоростью ветра и фазовой скоростью волн, высоте волн и их крутизне.
Очень просто разрешилась задача о нарастании длины волн, как только к исследованию была привлечена классическая теорема о моменте количества движения почему-то не применявшаяся прежде в гидродинамике и впервые примененная Н. Е. Жуковским к исследованию движения твердых тел с полостями, содержащими жидкость). По этой теореме прирост момента количества движения в единицу времени равен моменту всех действующих внешних сил. Напомним, что момент количества движения какой-то массы равен произведению этой массы на скорость движения и на длину перпендикуляра, опущенного из «центра моментов» на направление движения в данное время. Моментом силы называется произведение силы на перпендикуляр, опущенный на ее направление из той же точки.
Нарастание длины волн и уменьшение их крутизны
Обнаружилось, что длина волн нарастает под действием ветра именно потому, что нарастает момент количества движения водных частиц, движущихся по их траекториям. Сам закон нарастания представлен на рисунке, причем для удобства применена логарифмическая сетка: по осям фактически отложены не величины, а их логарифмы, и потому диаграмма заняла мало места. Величина h/h0 представляет собой отношение высоты волн в данный момент времени к высоте волн на той стадии, когда они обладали наибольшей крутизной; величина λ/λ0 — отношение длины волн в данный момент к длине волн на стадии наибольшей крутизны. Кривая 1 на рисунке показывает, что при увеличении высоты волн в 4 раза длина их возрастает почти в 9 раз; при увеличении высоты волн в 8 раз — длина возрастает более чем в 20 раз; при увеличении высоты волн в 60 раз — длина возрастает более чем в 200 раз. Именно поэтому непрерывно падает крутизна волн по закону, описанному кривой 2 на том же рисунке: наибольшая крутизна равнялась 0,143; при неограниченном нарастании h/h0 крутизна стремилась бы к значению 0,04. Последующие работы автора показали, что в действительности крутизна волн стремится к значению 1/23.
Штормовой бассейн позволил открыть тонкие детали волнового движения и разобраться в энергетике волнообразования, развития волн на тех этапах, на которых практически не сказывалось влияние трения о стены или это влияние могло быть учтено. Для завершения теории ветровых волн были использованы измерения высот и длин волн в условиях океана и глубоких морей, в частности работы автора на экспедиционном судне «Седов» в Атлантическом океане в 1957 году.
На основании исследований многих авторов можно считать, что предельная высота волн в океане, возможная при заданной скорости ветра, пропорциональна квадрату этой скорости.
С другой стороны, она должна быть пропорциональна квадрату разности скоростей ветра и волн на конечной стадии. Отсюда следует, что при всякой скорости ветра предельная фазовая скорость волн может составлять только совершенно определенную долю от соответствующей скорости ветра, — именно 0,82.
Все эти соотношения дали возможность построить простые рабочие диаграммы для расчета размеров волн по заданной скорости ветра, времени его действия на волны и заданному расстоянию от той границы штормовой области в океане, со стороны которой дует ветер (в частном случае — расстоянию от берега, с которого дует ветер, — наветренного берега).
Основные параметры ветровых волн
На рисунке представлена одна из этих диаграмм, построенная применительно к скоростям ветра до 30 м/сек. Через h∞ обозначена предельная возможная высота ветровых волн в океане при соответствующем ветре V, на чрезвычайно большом расстоянии от границы шторма; через Т∞ —предельное значение периода таких волн; величина VT∞ также нужна для расчетов.
Сопоставление теоретических расчетов по методу автора с данными непосредственных измерений волн в глубоких морях и в океане дало хорошие результаты.
В настоящее время необходимо на основе этой физической теории развить статистику элементов волн при сложном и неоднородном волнении, наблюдающемся в природных условиях. При этом надо помнить, что на различных этапах развития волн совсем неодинакова вероятность отклонения волн от средних; совсем неодинакова вероятность перехода от двумерных волн, бегущих правильными параллельными рядами, к трехмерным волнам в форме «холмов» на поверхности моря. Теория показывает, что на первых этапах развития волн быстрее всего нарастает высота их на тех участках первоначально правильного «фронта», на которых возникли случайные возвышения над средним уровнем гребня; нарастание задерживается там, где случайно оказалось понижение гребня по сравнению со средней его высотой. Такая неустойчивость приводит к дроблению рядов волн на отдельные «холмы» и в то же время делает непостоянными высоты волн, бегущих одна вслед за другой.
Иная картина должна возникать на поздних этапах развития волн: теория показывает, что потери энергии на турбулентное внутреннее трение возрастают пропорционально кубу высоты волн. Следовательно, по мере приближения высот волн к установившимся значениям заметнее всего будет замедляться нарастание высот волн там, где они велики, и меньше будет замедляться там, где они малы. В результате будет постепенно сглаживаться неравенство высот в различных частях бывшего «фронта» и неравенство высот между волнами, бегущими одна вслед за другой. По этой причине самые большие штормовые волны в океане снова приобретают правильную двумерную форму: мощная штормовая зыбь бежит правильными рядами, и только на поверхности основных валов этой штормовой зыби громоздятся сложные трехмерные холмы волн — вторичных, третичных и более высоких порядков.
Совсем правильны ряды мертвой зыби, остающейся в океане после прекращения шторма и обладающей весьма большой жизнеспособностью. Иногда такая зыбь распространяется в океане далеко за пределами штормовой области, причем длина ее волн может непрерывно возрастать, достигая громадных размеров, в то время как высота волн постепенно уменьшается.
Теория ветровых волн сейчас разработана не только для условий океана, глубокого моря, но и для совсем иных условий весьма резко выраженного мелководья. Здесь снова сослужил большую службу штормовой бассейн, а выводы из опытов в нем были тщательно проверены А. П. Хваном в настоящей «природной лаборатории» — на озере Белом, почти правильной круглой формы, с диаметром около 40 км и постоянной глубиной около 3—3,5 м.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.