1.2.11. Види руху водних потоків
Описати все різноманіття рухів рідини практично неможливо. Тому виділяють певні абстраговані, основні уявлення. Рух твердих тіл може бути поступальним та обертовим. Для рідин ці два види можна доповнити деформаційним, пов’язаним зі змінами форми досліджуваного об’єму (рідкого тіла). Можна також розрізняти односпрямовані потоки рідин, хвилі та перемішування. Особливою їх характеристикою є завихреність. Хвилі та перемішування будуть розглянуті в 1.2.17 та 1.2.18. Тому тут ми зупинимось на поступальних потоках. Для них розрізняють потенційний (безвихрьовий) та завихрений рух. Вважають, що рух обмежених твердими стінками потоків умовно може бути потенційним (хоча фактично внутрішні завихрення існують).
Далі розрізняють сталий та несталий рух. Сталим вважають рух, коли кожна точка потоку характеризується певною швидкістю, що не змінюється в часі. Можна записати, що швидкість залежить тільки від координат:
(1.63)
При цьому система ліній току також незмінна (стаціонарна).
Змінний в часі, або несталий рух можна поділити на дві частини:
а) швидкості змінюються повільно — плавнозмінний рух;
б) швидкості змінюються швидко — швидкозмінний рух.
За змінами у просторі виділяють рівномірний та нерівномірний рух. Рівномірним називають такий, коли площі перетину поздовж течії залишаються постійними, а швидкості у відповідних точках однакові. Епюри швидкостей також вважаються сталими.
Нерівномірний рух це рух змінний поздовж течії. При цьому у випадку відносно невеликих та плавних змін його вважають квазірівномірним (лат. quasi — ніби то).
Співвідношення та особливі випадки (аспекти), сталого, несталого, рівномірного та нерівномірного руху можуть бути досить складні. Але на практиці вважають, що не може бути рівномірного несталого руху.
Стан руху (течія) може також бути спокійним, або бурхливим. Ці особливості будуть розглянуті в 1.2.16.
Як вже говорилося в 1.2.10 у природі досить розповсюджені плоскі потоки. В гідродинаміці плоскими називають потоки, у яких елементи руху змінюються в одній площині (по глибині та довжині) і не змінюються в третьому координатному напрямку (по ширині). Такий підхід значно спрощує вирішення багатьох задач, але його не завжди можна застосовувати. Вважають, що плоскість потоку пов’язана з незначним впливом бічних стінок (берегів).
У залежності від загальних умов та характеру діючих сил розрізняють напірний та безнапірний (вільний) рух. Останній характеризується наявністю вільної поверхні потоку і відбувається під дією масових сил або вітру. Напірний рух — це такий, коли потік з усіх боків обмежений твердими стінками, а сили, що діють включають зовнішній тиск (вплив зовнішнього фактора, джерела тиску). Він може спостерігатися у напірних водоносних пластах артезіанських вод, деколи у річках під суцільним льодовим покривом, у технічних спорудах.
Особливими є потоки у водоймах (течії). У невеликих водоймах вони здебільшого тимчасові. Постійні, більш розвинуті, крупномасштабні течії існують в океанах та морях. Спробуємо описати лише деякі основні їх риси.
Зовнішніми причинами розвитку течій є дія вітру, припливоутворюючі сили, зміни атмосферного тиску, зміни рівневої поверхні океану (денівеляції) внаслідок поступання або втрачання води (стік річок, опади, випаровування). До внутрішніх причин відносять горизонтальні неоднорідності поля густини, що виникають внаслідок неоднорідності розподілу (поля) температур та солоності. Всі ці причини (сили) є первинними. разом з течіями виникають вторинні сили, які відсутні у нерухомій воді. До них відносять інерційні, силу Коріоліса, тертя та ін. Вторинні сили змінюють вплив первинних.
До основних видів течій відносять вітрові (дрейфові), які взаємопов’язані також з градієнтними (вплив вітру на неоднорідність поля тиску); припливні; бароградієнтні (пов’язані зі змінами атмосферного тиску); а також густинні (термохалінні, пов’язані з неоднорідностями поля температур та солоності).
Особливим аспектом руху природних водних потоків є включення іншорідних елементів (твердих часток, кристалів та скупчень льоду, бульбашок газу та ін.). Такі потоки називають двохфазними (хоча можуть існувати і трьохфазні). Ці явища характеризують також як особливі стани рідини. При цьому воду (потік) вже не зовсім правильно розглядати як континуум, необхідно враховувати порушення її су-цільності, неперервності. Виділяють два основних випадки:
1) перехід води у твердий, або газоподібний стан;
2) приєднання до потоку газоподібних та твердих тіл.
Двохфазні (багатофазні) потоки розглядають як особливі, аномальні рідини, що підкоряються власним, складним закономірностям.
Рух водних потоків може бути пов’язаний з розвитком їх форм. Наприклад відомі такі процеси як утворення струменів, меандрування, роз’єднання потоків на окремі частини (розгалуження). В цілому дослідження видів руху ще далеко не завершені. Можна, зокрема, сказати, що в потоках поєднуються поступальний та обертові рухи, при переважанні першого. Але крім потоків існують інші загальні рухи — хвилі, окремі вихорі. Вони поділяються на свої основні складові. Нарешті — різні загальні рухи можуть переходити один у другий (течії у вихорі та ринги, хвилі у прибережній течії і т.д.).