为什么水的涟漪是圆形,而不是方形或者三角形?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-10-13 15:25:57

水的涟漪之所以是圆形,是因为水的各向同性与机械波沿各个方向传播速度相同。水分子在水面附近的运动是上下的,而不是左右的,这使得波以同心圆的形式向外传播。

水的涟漪为什么是圆形的呢?这其实和水的各向同性与机械波沿各个方向传播速度相同有关。你可以想象一下,当你在水面上扔一块石头,就像在一个平静的湖面上玩溅水游戏一样。石头撞击水面的时候,就会产生一个波浪,就像一个小小的爆炸一样。这个波浪会把能量从撞击点向四周传播,就像一个圆形的涟漪一样。

那么,为什么这个涟漪是圆形的呢?为什么不是方形或者三角形呢?这是因为水分子在水面附近的运动是上下的,而不是左右的。也就是说,水分子不会离开撞击点,而是在原地上下跳动,就像一个弹簧一样。这是因为水是各向同性的,在所有方向上都具有相同的物理特性,也就是说,它没有特别喜欢的方向,因此波会以同心圆的形式向外传播。

在数学上,我们可以用二维波方程来模拟水的机械波传播。初始波纹产生点就像一个点源,中心分子的振动在电磁力的作用下引起周围分子的振动,传播过程中波的振幅与半径成反比递减。严谨的来说,波速由水的密度决定。随着波形的扩展,单位长度波面的能量扩散率保持不变,这种几何扩散导致了观察到的圆形波纹图案。

当然,如果水深不均匀(如近岸水浅处波纹)、在不均匀介质内传播、在外力场影响下(如水面下有其他障碍物)、水的流速和波速差异较大(如在快速流动的水丢一个小石头)等情况时就不会完全是圆形的啦。

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