水波是横波还是纵波[转]

(1)水波是横波还是纵波[转]

将一石子投入平静的湖面, 很快在湖面上形成了以石子落水处为中心的圆圈状波浪, 水面上的质点看上去好象上下振动, 波向外传播,

如同横波.大家知道气体、液体、固体都能传播纵波, 液体和气体不能传播横波, 那么水波是纵波吗?实际上,

这种因扰动在水面引起的波动是常见的,水质点的振动不只限于在水的表面, 而且以越来越小的振幅一直延伸到水底. 此外, 振动既有纵向分量,

又有横向分量, 还必须遵从流体动力学定律, 因此全面分

析水波所要求的数学方法是比较复杂的, 但从基本的物理方法进行定性分析并不困难.

取一个有矩形截面的长沟槽, 并且槽壁没有摩擦,其中装有不可压缩的理想液体. 当一列波沿沟槽传播时, 每个液体元都离开平衡位置,

既有纵向位移, 又有横向位移. 作用在液体元上的回复力, 一部分是由于在液体中深度逐点变化而产生的压力差,

另一部分是由于液体自由表面的弯曲所引起的表面张力效应.

上表面所受的压力恒定, 并且等于大气压力, 在沟槽底面的竖直位移总是零.一般来说, 液体的质点在与沟槽长度相平行的竖直平面内,

沿椭圆形轨道运动, 椭圆的长轴是水平的.这种运动可以看作两个简谐振动的叠加, 这两个简谐振动频率相同, 但振幅不同,

一个在水平方向振动, 另一个在竖直方向振动, 相位之差为90度。因此这种波可看成相位差90度且振幅不同的纵波与横波的叠加.

如果波长与水的深度一样, 或者比水的深度还小, 则在表面处, 两个振幅几乎相等, 质点作圆周运动.

水平分量和竖直分量的振幅随深度增加而减小,但是竖直分量的振幅比水平分量减小得快. 在沟槽底部, 竖直分量变为零,

振动全部是纵向的.

如图是沟槽中质点运动路径和波形.

上方的水平点线, 表示处于静止状态液体的自由表面，圆圈表示质点的路径, 质点的平衡位置在圆心.一列波从左向右通过液体时,

质点在这些路径上沿顺时针方向绕转.

实线表示某一瞬间液体表面的形状.下方的点线表示液面下某一深度处质点的平衡位置.这些质点的路径都是椭圆,

虚线就是当液体的自由表面具有图中实线所示形状时这些质点的轨迹.

综上所述, 可知水波既不是横波, 也不是纵波。

海水的波浪组成比较复杂，根据水深的不同，及风力，洋流的影响变化很大。但它确实既有横波又有纵波，至于当作横波还是纵波来处理则要看研究的目的，必要时都需要予以考虑。

波浪是怎样形成的呢？这是一个比较复杂的问题，一般地说海水受到外力作用，水（这时可以看成无数个有质量的点）在其平衡位置附近作周期性振动，就是说一个水质点从最高点（波峰）经平衡点再往下到达最低点（波谷），然后再经平衡点回到最高点，就完成一个振动周期．这是因为，当水质点离开平衡位置后，有一种力叫恢复力（表面张力、重力等）就力图使它回到原来的平衡位置，但因有一个惯性作用振动仍保持着，并通过其四周的水质点向外传播，这种过程

就形成了波浪，看到波浪由这边传到那边．其实一个水质点并没有移动，只是其中能量转移到其它质点上去，让人觉得好像波浪自己会传到很远的地方去一样．

波浪的成因比较多，因此类型也就比较多；有毛细波、重力波、惯性波和行星波四种基本类型．毛细波顾名思义是比较细小的波，它的波不会很高，但其频率最高，一个波浪完成的时间周期很短，不到1秒钟，因为它的恢复力为海水中的表面张力．随着频率的减小，重力逐渐成为主要的恢复力，这时的被称为重力波．重力波是由于海水本身具有的重力而引起的波浪，它具有很宽的频率范围．频率较高的，也是最常见的重力波，是风浪和涌浪，周期通常为1-10秒，风力是波浪的主要成因，由风力直接作用产生的波浪称为风浪，风浪离开风区向远处转播便形成涌浪．风浪到浅水区，受海水深度变化的影响比较大，出现折射，波面不再是完整的而是出现破碎和卷倒，此时称为近岸波，习惯上把风浪和涌浪以及近岸波，合称为海浪．

近岸浪指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受地形作用而改变波动性质的海浪

在风直接作用下产生的水面波动。探索风浪的生成和成长的机制是海浪研究中最基本的问题。风向海面输送能量能够引

起海流，同时也会引起波动，关于波动如何从风中摄取能量而成长的机制，目前尚无统一而确定的论断。一般认为，由于风对海面的扰动，首先引起毛细波(波纹)，这就为风进一步向海面输送能量提供了必要的粗糙度。然后通过风对波面的压力，继续向波动提供能量，使其不断成长。与此同时，由于海水的内摩擦等使能量损耗。当波浪传至浅水或岸边时，由于海底摩擦或者发生破碎时，使能量损失殆尽，波浪消失。

风浪中同时出现许多高低长短不等的波，波面较陡，波峰附近通常有浪花或大片泡沫，此起彼伏，瞬息万变，初看时似无规律可循，但如果将波高、波长和周期等量视为随机量，就能用统计学的观点，研究风浪的运动规律，并根据风来计算一些特征量，如部分大波或各种波的平均波高和平均周期等。这些代表风浪强度的特征量，决定于风速，风作用区域（风区）的长短或风作用时间（风时）的久暂。

在一定风速下，风浪随风区的扩展和风时的延长而成长。在离风区上侧边界很远的地方，风浪只随时间成长，处于过渡状态；在风区上侧边界附近，风浪只随至此边界的距离的增大而成长，处于定常状态。如果风速一定，则风浪成长至一定的大小时，内部消耗的能量和从风摄取的能量达到

平衡。此时，即使风区和风时不受限制，风浪便不再成长，而处于充分成长的状态。

涌浪是风停止后或风已削弱，改变了原来风向，在海面上留下的波浪。涌浪是远处的风，或已经过去的风所引起的波浪。“无风三尺浪”指的就是涌浪。

涌浪与风浪相比，具有较规则的外形，排列比较整齐，波峰线较长，波面较平滑，比较接近于正弦波的形状。涌浪在传播过程中，由于空气阻力和海水的内摩擦作用，加上涌浪传播时波动能量被散布在越来越大的区域内，所以随着传播距离的增加，在单位表面积的水柱内，涌浪的能量和波高都不断减小。涌浪可以看作是由许多振幅不等、频率不等、传播方向不同并具有随机初相位的正弦波的分量叠加而成。在涌浪的传播过程中，这些波分量的波动能量，都要随着传播距离的增加而减小。但是，这些波分量的衰减是有选择性的，频率大的组成波衰减得快，频率小的衰减得慢，随着传播距离的增加，高频分量所占有能量的比例越来越小，而低频的波分量则相对地越来越起着支配作用，因而在传播过程中，涌浪的外观周期将不断增大。随着周期的增大，波长和波速也相应地增大，而波面的陡度则变得越来越小。另外，因为高频分量具有使波面变得粗糙的作用，所以在涌浪传播