Меню

Как узнать силу реки

Особенности решения задач на определение скорости течения реки. Примеры решений

Одними из увлекательных задач по математике и физике, которые предлагает учитель решить школьникам, являются задачи на определение скорости течения реки. В данной статье рассмотрим особенности решения этих задач и приведем несколько конкретных примеров.

О каких задачах пойдет речь?

Каждый знает, что вода в реке обладает некоторой скоростью течения. Равнинные реки (Дон, Волга) текут относительно медленно, небольшие же горные реки отличаются сильным течением и присутствием водяных воронок. Любой плавающий предмет, который брошен в реку, будет удаляться от наблюдателя со скоростью течения реки.

Люди, которые купались в реке, знают, что против ее течения плыть очень тяжело. Чтобы продвинуться на несколько метров, необходимо приложить намного больше усилий, чем при движении в стоячей воде озера. Наоборот, движение по течению осуществляется практически без каких-либо затрат энергии. Достаточно лишь поддерживать тело на плаву.

Все эти особенности позволяют сделать следующий важный вывод: если тело, имеющее в стоячей воде скорость v, будет двигаться в русле реки, то его скорость относительно берега будет равна:

  • v + u для движения по течению;
  • v — u для движения против течения.

Здесь u — скорость течения.

Если тело движется под некоторым углом к течению, то результирующий вектор его скорости будет равен сумме векторов v¯ и u¯.

Формулы, которые необходимо запомнить

Помимо приведенной выше информации, для решения задач на скорость течения реки следует запомнить несколько формул. Перечислим их.

Скорость течения является величиной постоянной, а вот скорость тела (лодки, катера, пловца) в общем случае может меняться, как по величине, так и по направлению. Для равномерного прямолинейного движения справедливой будет формула:

Где S — пройденный путь, v — скорость перемещения тела. Если движение происходит с ускорением a, тогда следует применять формулу:

Помимо этих формул, для успешного решения задач следует уметь пользоваться тригонометрическими функциями при разложении векторов скорости на составляющие.

Источник



Как найти скорость течения реки: методика и рекомендации. Примеры решения задач

Многие люди хотя бы один раз в своей жизни путешествовали по реке на лодке, байдарке или катере. Для таких путешествий важно знать, с какой скоростью течет вода в реке, чтобы иметь возможность определить необходимое для перемещения на определенное расстояние время. В данной статье рассмотрим вопрос, как найти скорость течения реки, а также решим две физические задачи по данной теме.

Особенности течения воды в реках

Многие замечали, что одни реки текут медленно, и поверхность воды является гладкой. Обычно это крупные реки, например, Дон или Волга. Такое течение с точки зрения физики называется ламинарным, то есть слои жидкости перемещаются по прямым линиям и не смешиваются друг с другом. Более мелкие же речушки в некоторых местах буквально «бурлят». Этот тип течения характерен для рек горной местности. Он называется турбулентным. В отличие от ламинарного, здесь мелкие объемы воды перемещаются по хаотичным траекториям, на поверхности наблюдаются водовороты и пена.

Русло реки также оказывает существенное влияние на скорость течения. Так, известно, что вблизи берега и дна вода течет медленнее, чем в центральной части русла внутри ее объема. При своем движении слои воды задерживаются препятствиями, в виде неоднородностей дна и берегов, за счет трения о них. Причем каменистое дно уменьшает скорость перемещения воды сильнее, чем дно глинистое или песчаное.

Ширина русла и водоносность

Для более глубокого понимания вопроса, как найти скорость течения реки, важно знать еще один момент. Дело в том, что одна и та же река в разных местах может течь с различной скоростью. Причиной является изменение площади сечения ее русла, которое внешне связано с изменение ширины. Справедливости ради отметим, что не только изменение ширины, но и колебания в глубине влияют на быстроту течения воды (чем глубже, тем медленнее).

В виду сказанного выше, о скорости перемещения воды в реке имеет смысл говорить, если на достаточно длительном участке (километры и более) параметры ее русла колеблется незначительно, и река не имеет на этом участке притоков.

Более надежной характеристикой для любой реки является ее водоносность. Под водоносностью понимают объем воды, проходящий через вертикальное сечение русла за единицу времени. Водоносность не зависит от параметров русла, однако, она так же, как и скорость, изменится, если на рассматриваемом участке реки имеется приток.

В данной статье мы ограничимся предоставленной информацией о водоносности и перейдем к вопросу, как найти скорость течения реки.

Практический метод определения скорости воды в реке

Рассмотрим простую практическую методику, которая отвечает на вопрос, как находить скорость течения реки.

В первую очередь необходимо выбрать участок реки, где движение воды будет ламинарным, и русло не будет менять своей ширины. Затем, на берегу следует забить колышек. Он будет служить начальной отметкой. От первого колышка, используя измерительную ленту, следует отсчитать вдоль берега расстояние 10 метров, затем, забить второй колышек. Он будет конечной отметкой. Все подготовительные работы сделаны. Теперь можно переходить непосредственно к измерениям.

Как находить скорость течения реки? Для этого понадобится какой-нибудь легкий предмет, который может плавать. Например, маленькая палочка, шишка, лист бумаги, перо птицы и так далее. Предмет следует бросить в воду напротив первого колышка. При этом необходимо включить секундомер. Как только предмет, двигаясь по реке, достигнет второго колышка, секундомер нужно остановить, и зафиксировать измеренное время t.

Описанные эксперимент рекомендуется повторить несколько раз (4-5). Затем, нужно рассчитать среднее значение измеренного времени. Обозначим его t¯. Оно равно:

Источник

Глава 4. Сила реки

Глава 4. Сила реки. В книге «Речная Слава» вы сможете увидеть все то, что приносит в наши жизни река Святого Духа. Руфь Хефлин написала эту книгу, чтобы помочь жаждущим погрузиться в реку жизни и оставаться в ней.

Глава 4. Сила реки

(Езек.47:9) И всякое живущее существо, пресмыкающееся там, где войдут две струи, будет живо; и рыбы будет весьма много, потому что войдет туда эта вода, и воды в море сделаются здоровыми, и, куда войдет этот поток, все будет живо там

Река Божья предлагает намного больше, чем мы иногда понимаем. Она дает больше чем Божественное исцеление — она предлагает Божественное здоровье, Божественную жизнь. Эта река мощна. Все на ее пути изменяется. Божье исцеление замечательно, но еще лучше иметь Божье здоровье и жизнь, текущую через нас.

Река может держать нас настолько здоровыми, что мы даже не узнаем, что такое болезнь. Она имеет Божью жизнь в себе, и когда мы течем в ней, она также прикасается к нам физически. Исцеление было частью каждого пробуждения, но мы ожидаем видеть, исцеляющее пробуждение какого мы еще не видели ранее. В этом движении Духа, мы увидим сто процентный успех в молитве за тех, кто болен: “и куда войдет этот поток, все будет живо там”.

Во многих частях Америки, церковь ушла от служения физического исцеления. Это мне кажется очень странным. У моих родителей было большое сострадание и вера для больных. Когда они прибыли в Ричмонд, чтобы начать церковь, каждый новый член той церкви пришел из-за чуда исцеления, и многие из тех исцелений были очень необычны и привлекали большое внимание.

После того как церковь основалась, по крайней мере, прошло десять лет, за которые ни один из членов церкви моих родителей не умер. Некоторые все же заболевали и иногда серьезно, но папа и мама всегда молились за них, и после того, люди всегда восстанавливались.

В Пятидесятническом поколении, исцеление было в наших американских церквях, пока не возникла бесплатная медицинская помощь. После того, как бесплатная медицинская помощь была предписана, пожилые верующие, которые до этого призывали старших пресвитеров церкви для молитвы, внезапно начали вызывать вместо них скорую помощь.

Читайте также:  Инженер англичанин в угрюм реке

Иногда мы вынуждены верить Богу. Мы должны думать о Боге преждечем мы попадаем на смертный одр. Есть жизнь в реке, и если бы мы применяли исцеляющую силу ее вод, мы жили бы дольше и лучше. Учитесь приходить в Божью реку в первую очередь. Иногда люди ложатся и выписываются из больницы даже прежде, чем их пастор узнает, что они больны. Так не должно быть. Бог хочет послать другую волну исцеляющей славы в Церковь. Есть сила в реке Божьей.

Самые большие чудеса происходят в атмосфере большого поклонения и большой свободы. Если мы желаем видеть большие чудеса, мы должны собраться вместе в простоте, хвалить Бога, пока дух поклонения не прейдет и поклоняться Ему, пока слава не прейдет. В славе мы начнем видеть исцеления, чудеса и знамения. Приходит большой поток исцеления и везде, куда река течет, мы будем видеть, как Божья жизнь передается. Эта река приносит исцеление эмоций, исцеление тела и души. Мы увидим очень необычные чудеса.

Несколько человек, за которых я молилась недавно, которые имели серьезные проблемы со здоровьем, возвратились к своим докторам для проверки и обнаружили, что они были исцелены. Некоторые имели восстановление органов, которые были удалены за много лет до этого. Рентгеновские лучи подтвердили доказательство их чуда. Мы будем видеть еще больше чудес такого рода в будущем.

Часто, Бог дает нам предвкушение того, что должно прийти и через мгновение славы, показывает нам, что ожидать позже. Это развивает голод в наших сердцах и духе и заставляет нас знать, что мы можем двигаться дальше. Я говорю об этом много лет. Я не боюсь провозглашать, что скоро мы испытаем исцеляющее пробуждение, которое превзойдет то, что случалось в больших пробуждениях исцеления прошлого столетия. Это превзойдет встречи Эми Семпл Макпэрсон, доктора Чарльза Прайса, Кэтрин Кульман, Ей Аллена, Джека Коу и других больших служителей.

Это случится, потому что мы живем в последние дни, и слава последней Церкви не будет меньше, чем она была в начале. Она будет больше. Церковь не будет заканчиваться хныканьем. Огни пробуждения зажигаются, и мы видим необычные чудеса и знамения, вызванные могущественной рукой Бога. Это — только начало.

Мой дядя доктор Уильям издал новую книгу в 1998 под названием; « Чудеса, которые я видел ». История, которую я прочитала первой, была о встрече, которую он провел в Багамах. В первый вечер его встречи там были исцелены трое слепых. Люди были столь возбуждены, что на следующий день они пошли искать слепых людей и приглашать их. Тем вечером они привели на встречу больше чем двести слепых людей.

Он молился за каждого из них, и все кроме четырех или пяти были исцелены. Собрание было так возбуждено этими чудесами, что они попросили дядю Билла идти с ними в местную колонию прокаженных. Когда они добрались туда, медицинский работник не пустил их. “Я очень сожалею” сказал он, “ но это — инфекционная болезнь.

Вы не можете войти и возлагать руки на этих людей, потому что вы можете получить проказу. Если вы настаиваете, я выведу некоторых, но даже тогда, вы должны будете стоять далеко от них «. Он отметил линию на расстоянии в пятьдесят футов и попросил служителей не нарушать той границы, когда они будут молиться. Так дядя Билл молился за пятьдесят шесть прокаженных.

Когда он заканчивал молитву, он почувствовал побуждение, чтобы вспомнить и о тех, кому не разрешили прийти из-за того, что они были слишком больны. “Исцели их также” — молился он. Многие почувствовали прикосновение Бога, но медицинский работник имел очень строгую политику по выпуску пациентов. Никакой прокаженный не мог быть объявлен вылеченным, пока он не пройдет исследования каждые две недели в течение целого года.

Если, после того времени, окажется, что больше нет признаков проказы, тот человек мог быть освобожден. Спустя год, дядя Билл посетил встречу, где брат Девид Нанн проповедовал и слышал, как он рассказывал о евангелисте который, уезжая из Багам, молился за группу прокаженных, и сто прокаженных были исцелены.

Дядя Билл подошел к брату и сказал, “ я уверен, что это я тот евангелист, о котором вы говорили, но я точно помню, что я молился за пятьдесят шесть прокаженных ”. Позже он позвонил, чтобы поговорить с пастором, который возил его к той колонии прокаженных. « Брат Билл ”, ответил пастор, “ вы помните, что когда вы закончили молиться, за этих пятьдесят шесть прокаженных, вы также молились и за тех, кто не мог выйти? В целом, сто прокаженных были исцелены, и они были выписаны ”.

О, слава Богу, мы будем видеть это снова и снова в будущем.

Мой брат Уоллис Хефлин, младший, много путешествовал. Однажды, когда я возвратилась из Израиля, мы встретились в аэропорту в Вашингтоне. Он совсем недавно вернулся из своей первой поездки в Россию, так как страна открылась для проповеди. “Как в России? ” Спросил я. Слезы появились в его глазах, когда он ответил, “ эти две недели были двумя самыми большими неделями моей жизни ”. На одной встрече, буквально за какие то мгновения, пятьдесят восемь глухих и немых людей были исцелены.

Река Божья везде, и там где она течет — она приносит жизнь. Позвольте Божьей жизни течь через вас. Не делайте того, что препятствует ей. Дайте ей свободу действий, потому что она мощна.

Мой брат молился за нескольких человек, у которых были металлические штифты в их ногах и позже, рентген показал, что никаких металлических штифтов уже больше не присутствовало. У одного человека было колено в недвижимом положении из-за прошедшей операции, все же он стал способен двигать им как и раньше после молитвы. Эти вещи не трудны для нашего Бога, и везде, где река течет, подобные вещи случаются. Сестра была в нашем лагере прошлым летом. Мой брат молился за нее несколько лет назад, потому что у нее не было мизинца. Теперь она имеет красивый «мизинец», и она воздает всю славу Богу.

в реке, возможно все. Я настроена, жить в реке и знать ее поток не только для моей собственной жизни, но и также для пользы многих других. Для некоторых, исцеление — все еще трудная вещь чтобы поверить, но для Бога это — маленькая вещь. Когда вы позволяете реке течь по вам исцеляющими водами, болезнь просто не может остаться в вас. Везде, где река течет, все на ее пути будет исцелено.

Не останьтесь не использованными Богом в этом пробуждении исцеления, так как Он обращается в это последнее время к множеству мужчин и женщин во всем мире. Мы только начинаем наслаждаться силой Божьей реки. В ней — бесконечная поставка всей силы, в которой мы нуждаемся.

Войдите в реку, и испытайте Речную Славу прямо сейчас.

Книга: River Glory — Ruth Ward Heflin
Перевод с английского: Дмитрий Лео. Церковь Благословение Отца, 2003

Источник

Механизм течения рек

Движение ламинарное и турбулентное

В природе существуют два режима движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное. Ламинарное движение — параллельноструйное. При постоянном расходе воды скорости в каждой точке потока не изменяются во времени ни по величине, ни по направлению. В открытых потоках скорость от дна, где она равна нулю, плавно возрастает до наибольшей величины на поверхности. Движение зависит от вязкости жидкости, и сопротивление движению пропорционально скорости в первой степени. Перемешивание в потоке носит характер молекулярной диффузии. Ламинарный режим характерен для подземных потоков, протекающих в мелкозернистых грунтах.

Читайте также:  Тайский массаж черная речка

В речных потоках движение турбулентное. Характерной особенностью турбулентного режима является пульсация скорости, т. е. изменение ее во времени в каждой точке по величине и направлению. Эти колебания скорости в каждой точке совершаются около устойчивых средних значений, которыми обычно и оперируют гидрологи. Наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока. В направлении ко дну они уменьшаются относительно медленно и в непосредственной близости от дна имеют еще достаточно большие значения. Таким образом, в речном потоке скорость у дна практически не равна нулю. В теоретических исследованиях турбулентного потока отмечается наличие у дна очень тонкого пограничного слоя, в котором скорость резко уменьшается до нуля.

Турбулентное движение практически не зависит от вязкости жидкости. Сопротивление движению в турбулентных потоках пропорционально квадрату скорости.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному и обратно происходит при определенных соотношениях между скоростью vср и глубиной Hср потока. Это соотношение выражается безразмерным числом Рейнольдса

Для открытых каналов критические числа Рейнольдса, при которых меняется режим движения, изменяются примерно в пределах 300-1200. Если принять Re = 360 и коэффициент кинематической вязкости = 0,011, то при глубине 10 см критическая скорость (скорость, при которой ламинарное движение переходит в турбулентное) равна 0,40 см/с; при глубине 100 см она снижается до 0,04 см/с. Малыми значениями критической скорости объясняется турбулентный характер движения воды в речных потоках.

По современным представлениям (А. В. Караушев и др.), внутри турбулентного потока в различных направлениях и с различными относительными скоростями перемещаются элементарные объемы воды (структурные элементы), обладающие различными размерами. Таким образом, наряду с общим движением потока можно заметить движение отдельных масс воды, в течение короткого времени ведущих как бы самостоятельное существование. Этим, очевидно, объясняется появление на поверхности турбулентного потока маленьких воронок — водоворотов, быстро появляющихся и так же быстро исчезающих, как бы растворяющихся в общей массе воды. Этим же объясняется не только пульсация скоростей в потоке, но и пульсации мутности, температуры, концентрации растворенных солей.

Турбулентный характер движения воды в реках обусловливает перемешивание водной массы. Интенсивность перемешивания усиливается с увеличением скорости течения. Явление перемешивания имеет большое гидрологическое значение. Оно способствует выравниванию по живому сечению потока температуры, концентрации взвешенных и растворенных частиц.


Рис. 65. Примеры кривой водной поверхности потока. а — крикая подпора, б — кривая спада (по А. В. Караушеву).

Движение воды в реках

Вода в реках движется под действием силы тяжести F’. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну Fx и нормальную ко дну F’y (см. рис. 68). Сила F’ уравновешивается силой реакции со стороны дна. Сила F’х, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Эта сила, действуя постоянно, должна бы вызвать ускорение движения. Этого не происходит, так как она уравновешивается силой сопротивления, возникающей в потоке в результате внутреннего трения между частицами воды и трения движущейся массы воды о дно и берега. Изменение уклона, шероховатости дна, сужения и расширения русла вызывают изменение соотношения движущей силы и силы сопротивления, что приводит к изменению скоростей течения по длине реки и в живом сечении.

Выделяются следующие виды движения воды в потоках: 1) равномерное, 2) неравномерное, 3) неустановившееся. При равномерном движении скорости течения, живое сечение, расход воды постоянны по длине потока и не меняются во времени. Такого рода движение можно наблюдать в каналах с призматическим сечением.

При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение не изменяются в данном сечении во времени, но изменяются по длине потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени при устойчивых расходах воды в них, а также в условиях подпора, образованного плотиной.

Неустановившееся движение — это такое, при котором все гидравлические элементы потока (уклоны, скорости, площадь живого сечения) на рассматриваемом участке изменяются и во времени и по длине. Неустановившееся движение характерно для рек во время прохождения паводков и половодий.

При равномерном движении уклон поверхности потока I равен уклону дна i и водная поверхность параллельна выровненной поверхности дна. Неравномерное движение может быть замедленным и ускоренным. При замедляющемся течении вниз по реке кривая свободной водной поверхности принимает форму кривой подпора. Поверхностный уклон становится меньше уклона дна (I i) (рис. 65).


Рис. 68. Схема к выводу уравнения Шези (по А. В. Караушеву).

Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках потока: они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0,2H от поверхности. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей (рис. 66). На распределение скоростей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рельефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При наличии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются скорости в придонном слое при развитии водной растительности, значительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о шероховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает скорость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение максимума смещается на большую глубину по сравнению с его положением в безветренную погоду.

По ширине потока скорости как поверхностная, так и средняя на вертикалях меняются довольно плавно, в основном повторяя распределение глубин в живом сечении: у берегов скорость меньше, в центре потока она наибольшая. Линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. Знание положения стрежня имеет большое значение при использовании рек для целей водного транспорта и лесосплава. Наглядное представление о распределении скоростей в живом сечении можно получить построением изотах — линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 67). Область максимальных скоростей расположена обычно на некоторой глубине от поверхности. Линия, соединяющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.


Рис. 66. Эпюры скоростей. а — открытое русло, б — перед препятствием, в — ледяной покров, г — скопление шуги.

Средняя скорость на вертикали вычисляется делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глубине (VПОВ, V0,2, V0,6, V0,8, VДОН) по одной из эмпирических формул, например

Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези

Для вычисления средней скорости потока при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Шези. Она имеет следующий вид:

Величина коэффициента С не является величиной постоянной. Она зависит от глубины и шероховатости русла. Для определения С существует несколько эмпирических формул. Приведем две из них:

формула Манинга

Читайте также:  Конго это внутренняя река

формула Н. Н. Павловского
где n — коэффициент шероховатости, находится по специальным таблицам М. Ф. Срибного. Переменный показатель в формуле Павловского определяется зависимостью.

Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличением гидравлического радиуса или средней глубины. Это происходит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шероховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали и тем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит и к увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона, но этот рост при турбулентном движении выражен в меньшей мере, чем при ламинарном.

Скорость течения горных и равнинных рек

Течение равнинных рек значительно более спокойное, чем горных. Водная поверхность равнинных рек сравнительно ровная. Препятствия обтекаются потоком спокойно, кривая подпора, возникающего перед препятствием, плавно сопрягается с водной поверхностью вышерасположенного участка.

Горные реки отличаются крайней неровностью водной поверхности (пенистые гребни, взбросы, провалы). Взбросы возникают перед препятствием (нагромождением валунов на дне русла) или при резком уменьшении уклона дна. Взброс воды в гидравлике носит название гидравлического (водного) прыжка. Его можно рассматривать как одиночную волну, появившуюся на водной поверхности перед препятствием. Скорость распространения одиночной волны на поверхности, как известно, c = , где g — ускорение силы тяжести, H — глубина.

Если средняя скорость течения vср потока оказывается равной скорости распространения волны или превышает ее, то образующаяся у препятствия волна не может распространиться вверх по течению и останавливается вблизи места ее возбуждения. Формируется остановившаяся волна перемещения.

Пусть vср = c. Подставляя в это равенство значение из предыдущей формулы, получим vср = , или

Левая часть этого равенства известна как число Фруда (Fr). Это число позволяет оценить условия существования бурного или спокойного режима течения: при Fr 1 — бурный режим.

Таким образом, между характером течения, глубиной, скоростью, а следовательно, и уклоном существуют следующие соотношения: с увеличением уклона и скорости и уменьшением глубины при данном расходе течение становится более бурным; с уменьшением уклона и скорости и увеличением глубины при данном расходе течение приобретает более спокойный характер.

Горные реки характеризуются, как правило, бурным течением, равнинные реки имеют спокойный режим течения. Бурный режим течения может быть и на порожистых участках равнинных рек. Переход к бурному течению резко усиливает турбулентность потока.

Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на закруглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. Наряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различными углами к оси движения потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении. На это еще в конце прошлого столетия обратил внимание русский исследователь Н. С. Лелявский. Он следующим образом объяснил структуру внутренних течений. На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в результате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению течения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым контурам, расходящиеся у дна (рис. 69 а). В сочетании с поступательным движением эти поперечные циркуляционные течения приобретают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным, а донное расходящееся — веерообразным.

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями, обладающими меньшими скоростями, накладываясь на массы воды, переносимые набегающими на них следующими струями, повышают уровень водной поверхности у вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды, находящиеся у вогнутого берега, опускаются по откосу его и направляются в придонных слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на изогнутых участках рек (рис. 69 б).


Рис. 69. Циркуляционные течения на прямолинейном (а) и на изогнутом (б) участке русла (по Н. С. Лелявскому). 1 — план поверхностных и донных струй, 2 — циркуляционные течения в вертикальной плоскости, 3 — винтообразные течения.

Особенности внутренних течений потока были изучены А. И. Лосиевским в лабораторных условиях. Им была установлена зависимость формы циркуляционных течений от соотношения глубины и ширины потока и выделены четыре типа внутренних течений (рис. 70). Типы I и II представлены двумя симметричными циркуляциями. Для типа I характерно схождение струй у поверхности и расхождение у дна. Этот случай свойствен водотокам с широким и неглубоким руслом, когда влияние берегов на поток незначительно. Во втором случае донные струи направлены от берегов к середине. Этот тип циркуляции характерен для глубоких потоков с большими скоростями. Тип III с односторонней циркуляцией наблюдается в руслах треугольной формы. Тип IV — промежуточный — может возникать при переходе типа I в тип II. В этом случае струи в середине потока могут быть сходящимися или расходящимися, соответственно у берегов — расходящимися или сходящимися. Дальнейшее развитие представления о циркуляционных течениях получили в работах М. А. Великанова, В. М. Маккавеева, А. В. Караушева и др. Теоретические исследования возникновения этих течений излагаются в специальных курсах гидравлики и динамики русловых потоков. Появление поперечных течений на закруглениях русла объясняется развивающейся здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возникающая на закруглениях, неодинакова на различных глубинах.


Рис. 70. Схема внутренних течений (по А. И. Лосиевскому). 1 — поверхностная струя, 2 — донная струя.

Рис. 71. Схема сложения сил, вызывающих циркуляцию. а — изменение по вертикали центробежной силы P1, б — избыточное давление, в — результирующая эпюра действующих на вертикали сил центробежной и избыточного давления, г — поперечная циркуляция.

В зависимости от направления излучины отклоняющая сила Кориолиса или усиливает, или ослабляет поперечные течения на закруглении. Эта же сила возбуждает поперечные течения на прямолинейных участках.

При низких уровнях на закруглении циркуляционные течения почти не выражены. С повышением уровней, увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные течения становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно мала — в десятки раз меньше продольной составляющей скорости. Описанный характер циркуляционных течений наблюдается до выхода воды на пойму. С момента выхода воды на пойму в реке создаются как бы два потока — верхний, долинного направления, и нижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно и еще мало изучено.

В современной литературе по динамике русловых потоков (К. В. Гришанин, 1969 г.) приводится, по-видимому, более строгое объяснение возникновения поперечных циркуляции в речном потоке. Происхождение таких циркуляции связывается с механизмом передачи на элементарные объемы воды в потоке действия кориолисова ускорения посредством градиента давления, обусловленного4 поперечным уклоном (и постоянного на вертикали), и разности касательных напряжений, вызванных на гранях элементарных объемов воды различиями в скоростях потока по вертикали. Аналогичную кориолисову ускорению роль выполняет на повороте русла центростремительное ускорение.

Помимо поперечных циркуляции, в потоке наблюдаются вихревые движения с вертикальной осью вращения (рис. 72).


Рис. 72. Схема вихрей с вертикальными осями (по К. В. Гришанину).

Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются большими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слияния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании некоторых подводных препятствий и т. д. Условия формирования стационарных вихрей пока не исследованы. Гришанин высказывает предположение, что образованию устойчивого локализованного вихря способствует значительная глубина потока и существование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, известные под названием водоворотов, напоминают воздушные вихри — смерчи.

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.

Источник

Adblock
detector