Kodėl upė vingio išorėje teka greičiau?
Trumpas atsakymas: Upė vingio išorėje teka greičiau, nes vanduo, tekantis vingiu, yra spaudžiamas į išorę, todėl paviršiaus greitis prie išorinio kranto yra didesnis. Šis stūmimas į išorę sukuria slėgio skirtumą ir spiralinę (sraigtinę) tėkmę, kuri sutelkia greičiausią vandenį išorėje, sukeldama ten didesnę eroziją.
Pagrindinė mintis
Upės vanduo nori tekėti tiesiai. Kai vaga išlinksta, judantis vanduo yra stumiamas link kreivės išorės. Šis stūmimas (dažnai vadinamas išcentriniu efektu) šiek tiek pakelia vandens lygį išoriniame krante.
Aukštesnis vandens paviršius sukuria slėgio nuolydį per upę, kuris stumia grįžtamąjį srautą upės vaga link vidinio kranto. Paviršiaus srauto į išorę ir vagos srauto į vidų derinys sukuria spiralinį judėjimą, vadinamą spiraline (antrine) tėkme. Kadangi greičiausias vanduo išlieka arti paviršiaus ir arti išorinio kranto, ta pusė įgauna didesnį greitį ir labiau eroduoja.
Laikui bėgant, išorinis krantas yra nukerpamas, o vidinė pusė užsikemša nusėdusiu smėliu ir dumblu.
Ką sako fizika
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikio/dėsnio pavadinimas: antrinis (spiralinis) srautas, kurį sukelia išcentrinis pagreitis išlenktame kanale; paaiškinamas impulso tvermės dėsniu ir skysčio slėgio gradientais.
Kai vanduo teka išlenktu keliu, jis patiria išcentrinį pagreitį (apie v^2/r, kur v yra greitis, o r yra lenkimo spindulys). Šis pagreitis stumia paviršinį vandenį link išorinio kranto ir pakelia ten vandens lygį. Tas pakeltas paviršius sukuria skersinį slėgio gradientą, stumiantį vandenį atgal link vidinio kranto prie vagos.
Rezultatas – vertikali, spiralinė cirkuliacija: paviršinis srautas į išorę, grįžtamasis srautas į vidų gylyje. Didžiausi greičiai susitelkia netoli paviršiaus ir išorinio kranto, nes juos mažiau stabdo vagos ir kranto trintis. Šis greičio modelis padidina šlyties įtempį (judančio vandens jėgą) išoriniame krante ir sukelia eroziją, o silpnesnis srautas vidiniame krante nuleidžia nuosėdas ir formuoja sąnašines seklumas.
Kaip mes tai žinome: Laboratoriniai kanalų eksperimentai, lauko greičio matavimai ir hidrauliniai modeliai atkuria spiralinę cirkuliaciją ir greičio pasiskirstymą posūkiuose .
Pastebėk aplink
- Išorinis vingiuotos upės krantas ardomas, o vidinis krantas sudaro smėlėtą seklumą.
- Plaukite aplink tiltų atramas, kur vanduo greitėja upės vingio pusėje.
- Kanojos ar baidarės posūkio išorėje jaučia stipresnę srovę, kuri stumia jas link išorinio kranto.
- Meandrų migracija, kuri galiausiai suformuoja senvagius, išoriniams krantams ardant ir vingiams aštrėjant.
Išbandymas
Spiralinis vandens tekėjimas padėkle
Sauga: Būkite atsargūs ant slidžių grindų nuo išsiliejusio vandens.
Priemonės
- didelis negilus padėklas arba kepimo skarda
- vanduo
- maži plūduriuojantys gabalėliai (popieriaus gabalėliai arba putplastis)
- šaukštas arba išlenkta užtvara (pvz.
- lėkštės kraštas)
Žingsniai
- Padėkite padėklą ant lygaus paviršiaus ir įpilkite kelis centimetrus vandens.
- Įmeskite kelis mažus plūduriuojančius gabalėlius į vandenį netoli vidurio.
- Šaukštu arba išlenkta užtvara švelniai stumkite vandenį sukamaisiais judesiais, kad jis tekėtų aplink vieną padėklo pusę.
- Stebėkite, kur susirenka plūduriuojantys gabalėliai ir kur jie nugrimzta arba juda į vidų netoli padėklo dugno. Ką tai rodo: Matote, kaip paviršinis vanduo juda į išorę kreive, o arčiau centro atsiranda lėtesnis grįžtamasis srautas, imituojantis spiralinį tekėjimą upės vingyje.
Žodžiai, kuriuos verta žinoti
- Išcentrinis pagreitis: tariamasis vandens stūmis, kai jis juda išlenkta trajektorija (apytiksliai v^2/r).
- Slėgio gradientas: slėgio pokytis iš vienos vietos į kitą, dėl kurio skystis juda. Sraigtinis (antrinis)
- srautas: spiralinė cirkuliacija posūkyje, kur paviršinis vanduo juda į išorę, o gilesnis vanduo grįžta į vidų.
- Šlyties įtempis: tekančio vandens trinties jėga, kuri gali ardyti (ardyti) upės krantus.
Dažni klausimai
Ar visa upė išorėje juda greičiau?
Ne; greičiausia dalis yra netoli paviršiaus, išoriniame krante, o giliau ir arčiau vagos tėkmė gali būti lėtesnė ir netgi judėti atgal link vidinio kranto.
Ar išorinė dalis visada eroduoja?
Dažnai ji eroduoja labiau, bet krantų medžiagos, augmenija ir žmonių statiniai gali sulėtinti arba sustabdyti eroziją.
Ar galime sulėtinti eroziją išoriniame krante?
Taip; augmenijos sodinimas, akmenų pridėjimas arba tėkmės keitimas inžineriniais sprendimais gali sumažinti greitį ir apsaugoti krantą.