Чому за кораблем утворюється дивний слід

Якщо поглянути на хвильові сліди за качкою, каяком чи кораблем, то можна помітити дві незвичні речі.
По-перше, човнові (або корабельні) хвилі, які ще іноді називаються хвилями Кельвіна, не є простими (як ідеально пряма ударна хвиля при надзвуковому русі снаряду).
Вони утворюють захопливий перистий, хвилястий візерунок.
А по-друге, цей перистий візерунок виглядає однаково: той самий кут, той самий повторюваний патерн, брижі по краях, зворотні дуги всередині - все виглядає більш-менш однаково незалежно від того, утворені ці хвилі качкою, каяком чи кораблем.
Навіть якщо швидкості руху і розміри хвиль різні.
Те, чому човнові хвилі завжди мають саме таку форму і візерунок, пояснюється дивовижною фізикою хвиль на поверхні води.
У той час, як існує одна швидкість світлових хвиль і одна швидкість звукових хвиль, немає фіксованої швидкості хвиль на поверхні рідини.
У воді довші хвилі рухаються швидше, тоді як коротші - повільніше.
Це явище, коли хвилі різної довжини хвилі рухаються з різною швидкістю, відоме як дисперсія.
І саме дисперсія робить хвилі на поверхні води цікавими й складними.
Як у випадку з корабельними хвилями.
Щоб пояснити форму човнової хвилі, ми почнемо з розгляду хвилі з певною довжиною (а отже і швидкістю) на поверхні води.
Човен, що рухається по незбуреній поверхні воді, створює послідовність кругових хвиль.
Якщо поверхневі хвилі швидші, ніж човен, то вони оточують його, але човновий слід не виникає.
Якщо хвилі повільніші за човен, то він випереджає їх, і всі круги разом утворюють V-подібний слід.
І якщо хвилі будуть іще повільнішими, то човен випередить їх іще більше, і вони, наклавшись, утворять вужчу V-подібну форму.
Повільніші хвилі створюють вужчі сліди.
Швидші хвилі створюють ширші сліди.
Але нам потрібно пам’ятати, що коливання на поверхні води періодично повторюються.
Отже, кожна кругова хвиля є насправді першою в ряді кругових хвиль.
Це означає, що замість утворення лише одного v-подібного сліду рухомий човен створює серію V-подібних фронтів, відстань між якими дорівнює одній довжині хвилі.
Причина того, що реальний човен не створює прямого V-подібного сліду, полягає в тому, що він породжує хвилі з різними довжинами.
А через дисперсію хвилі з різними довжинами рухаються з різними швидкостями: довші хвилі мають більшу швидкість, а коротші - меншу.
Швидші хвилі утворюють хвильовий фронт з більшим внутрішнім кутом.
А оскільки швидші хвилі також мають і більшу довжину хвилі, то і відстань між горбами хвиль також більша.
Схожим чином, повільніші хвилі утворюють слід з меншим кутом.
А через меншу довжину хвилі відстань між їхніми горбами менша.
Якщо додати вузькі фронти, розташовані близько один від одного, і ширші, розташовані на більших відстанях, то у вас вийде ось така картина.
Це ж човнова хвиля!
Погляньте на красиві повторювані перисті брижі на краях і на більш широкі повторювані дуги всередині самого сліду.
Якщо замінити ці лінії змодельованими хвилями під відповідними кутами та відстанями, то ви отримаєте іще переконливіший вигляд човнового сліду.
І ми можемо зробити те саме в 3D, щоб отримати по-справжньому реалістичну корабельну хвилю.
Отже, підсумуємо.
Форма човнової хвилі визначається ти, що поверхневі хвилі рухаються з різною швидкістю.
Повільніші хвилі утворюють вузькі, близько розташовані V-подібні хвильові фронти.
А швидші хвилі на поверхні води утворюють ширші V-подібні фронти, відстань між якими більша.
Коли ви складаєте всі ці різні V-подібні візерунки разом, під правильними кутами та відстанями, які визначаються дисперсією хвиль на поверхні води, то в підсумку отримуєте унікальну форму човнового сліду.