Frage:
Warum bildet Regenwasser am Boden bewegte Wellen? Gibt es einen Namen für diesen Effekt?
user541686
2017-03-19 07:14:05 UTC
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Vor einiger Zeit hat es geregnet und ich habe festgestellt, dass auf geneigten Gehwegen Wasser in sehr regelmäßigen, gleichmäßigen periodischen Wellen fließt, wie Sie unten sehen.

Mir wurde jedoch klar, dass ich keine Ahnung hatte, warum dies geschehen sollte.Es gab nichts bergauf, was diese Wellen tatsächlich erzeugte, und sie sanken weiter bis zum Bürgersteig, trotz des Regens, der auf sie fiel. Warum floss das Wasser nicht reibungslos oder unregelmäßig ab?
Was verursacht die wahrnehmbaren wellenförmigen Muster?Gibt es einen Namen für dieses Phänomen?

Hängt die Wellenlänge von der Neigung der Fahrbahn ab?
Ist Wind als mögliche Ursache ausgeschlossen?Wenn nicht, spekuliere ich, dass das Muster durch Windböen verursacht wird.
@aroth: Ja, es war nicht gerade windig ...
ist dies KEIN Duplikat - http://physics.stackexchange.com/q/22897/
Mögliches Duplikat von [Warum bilden sich Regenwellen und wie hängen sie mit der Textur der Oberfläche zusammen, auf der sie sich befinden?] (Http://physics.stackexchange.com/q/22897/)
Ich denke, die beste Antwort hier muss wirklich auf dieses Original migriert werden.
Vier antworten:
mike stone
2017-03-19 18:20:28 UTC
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Diese Wellen werden "Rollwellen" genannt.Sie sind auf eine Instabilität in flachen Scherströmungen zurückzuführen.Die Analyse ist viel zu komplex für eine kurze Antwort, aber wenn Sie "Roll Wave" googeln, finden Sie mehr Bilder und Links zu technischen Artikeln.Wenn Sie sich nicht um ein wenig Mathematik kümmern, finden Sie eine Diskussion über die Ursache der Instabilität ab Seite 259 in diesen Online-Vorlesungsskripten: https://courses.physics.illinois.edu/phys508/fa2016/amaster.pdf

Nachdem sich die Wellen aufgrund der Instabilität gebildet haben, ist die tatsächliche Form - eine Reihe von brechenden Wellen - auf den von md2perpe beschriebenen nichtlinearen Ausbreitungseffekt zurückzuführen. Je tiefer das Wasser, desto schneller die Welle.

Dies scheint die einzige Antwort zu sein, die keine Spekulation ist und einen klaren Grund angibt.Ich bin froh zu sehen, dass es eine Menge Analysen dazu gibt, auch wenn ich den größten Teil der Mathematik nicht befolgen kann.
Gute Antwort!Vielen Dank für den Link zu Ihren Vorlesungsunterlagen, die ich mit großem Interesse lesen werde.Es kann jedoch sein, dass Mikroänderungen im Quellenfluss zumindest einen Beitrag zu diesem Phänomen leisten.Ich kann meine Meinung ändern, nachdem ich Ihre Notizen gelesen habe.
Mir ist klar, dass Sie "Roll WaveS" Plural googeln müssen.In Singular verlieren Sie Treffer auf anderen Arten von Wellen.
Bei meinen Google-Suchen (es gibt viel Informationsverschmutzung, versuchen Sie "Physik-Rollwellen", "Fluiddynamik-Rollwellen", "Rollwellen-Scherfluss" usw.) bin ich auf ein schönes Papier zum Thema gestoßen: https: //www.math.ubc.ca/~njb/Research/mandre.pdf - Dies geht sogar so weit, dass explizit erwähnt wird, dass * "[Roll] -Wellen auch häufig in flachen, laminaren Flüssigkeitsfilmen auftreten, die auf Straßenrinnen und Fensterscheiben fließenregnerische Tage"*.
+1 danke!Scheint genau das zu sein :) Ich liebe die Analyse auch in den Notizen!
@Mehrdad https: // en.wikipedia.org / wiki / Rayleigh% 27s_equation_ (fluid_dynamics) #Background ... Auf den kritischen Ebenen wird die Rayleigh-Gleichung singulär.Dies ist die ganze raleygh "Instabilität".Diese systematischen Rollwellen können mit einer soliden Mathematik ohne allzu große Komplexität leicht definiert werden.dh;https://core.ac.uk/download/pdf/4890972.pdf Seite 23->
md2perpe
2017-03-19 14:11:37 UTC
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Ich denke, die Erklärung ist, dass Wellen unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen.Dies führt dazu, dass die schnelleren Wellen langsamer laufen, wodurch sie sich stapeln oder konstruktiv stören.

Ernie
2017-03-19 14:10:23 UTC
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Dies ist eine spekulative Erklärung, die Quellenschwankungen beschreibt, die sich auf das Wasservolumen auswirken können, das die Straße entlang fließt. Es ist nicht die Ursache des Rollwellenphänomens (siehe Mike Stones ausgezeichnete Antwort), aber es kann es beeinflussen, indem es das Wasservolumen ausreichend erhöht, um die Rollwellen zu stören. Ich habe Mikrovariationen in Strömungen in Gebirgsbächen beobachtet, die nicht durch flache Scherströmungen gekennzeichnet sind.

Wenn eine Kaltfront durch warme Luft geht, drückt sie die warme Luft nach oben und über die vorrückende Zelle mit kalter Luft. Das Bewegen von kalter Luft bildet einen Keil und erzeugt eine schiefe Ebene, auf die die warme Luft steigt. Wenn eine Warmfront kalte Luft drückt, steigt sie ebenfalls über die kalte Luft, aber da kalte Luft den Boden zäher umarmt als warme Luft, hat die geneigte Ebene eine allmählichere Neigung. In beiden Fällen steigt warme Luft allmählich in die Atmosphäre und nicht direkt nach oben.

Wolken bilden sich, wenn feuchte warme Luft die Kondensationshöhe erreicht, wo aufsteigende warme Luft bis zum Taupunkt abgekühlt wird. Wenn sich die aufsteigende warme Luft abkühlt und ausdehnt, ändert sich der Taupunkt, wenn sich der Druck in der Wolke ändert.

Wenn das aufsteigende Förderband aus feuchter Luft die Temperatur der Umgebungsluft erreicht, hört es auf zu steigen und der Taupunkt hört auf zu fallen. Tröpfchen beginnen zu kondensieren, und wenn sie groß genug für die Schwerkraft sind, um sie vom blockierten Förderband feuchter Luft zu entfernen, fallen sie als Niederschlag.

Der Prozess wirkt sich nicht gleichzeitig auf die gesamte Luft in der Wolke aus. Wenn gesättigte Schichten warmer Luft die Neigung kalter Luft erklimmen, bietet die Zeit die Möglichkeit für Änderungen des Mikroklimas, die die Niederschlagsmenge variieren können, die von der Oberseite des Förderbandes fällt.

Die Rollwellen, die Sie auf glatten Straßen sehen, können beeinträchtigt werden, da das Durchflussvolumen mit den Luftströmungen und Temperaturbedingungen am oberen Ende des atmosphärischen Förderbandes variiert, wo sich Druck, Temperatur und Taupunkt mikroverändern. p>

Dies konnte durch Beobachtung einer strictly-kontrollierten Freisetzung von Wasser auf derselben Oberfläche überprüft werden.Wenn sich die Eigenschaften der Wellen, die während einer streng kontrollierten Freisetzung auftreten, von den Wellen unterscheiden, die während des Niederschlags auftreten, kann dies darauf hinweisen, dass die Schwankung der Quelle einen Effekt hat.

Und ist es möglich, dass die Regenintensität mit einem Zeitraum von ein paar Sekunden um einen ziemlich erheblichen Faktor variiert?
@DavidRicherby: Ich habe ähnliche Mikrovariationen im Fluss in Gebirgsbächen während und unmittelbar nach Regenfällen beobachtet.Ich änderte die Antwort, bezeichnete sie als spekulativ und schlug ein Experiment vor, das helfen könnte.
Haben Sie Grund zu der Annahme, dass dieser Niederschlag etwas mit einem Front- oder Förderband zu tun hat?Selbst wenn ja, wären Schwankungen, die durch die Struktur des Förderbandes verursacht werden, viel größer und weniger regelmäßig.Man kann oft sehen, dass die Regenintensität im Puls variiert, aber meistens handelt es sich nur um Turbulenzen.Es kann sich um eine Reihe schwacher Mikroburst-ähnlicher Merkmale handeln, aber der Maßstab wäre viel größer als.
Ich habe dasselbe in einem Wasserfall beobachtet.Ich denke, es ist möglicherweise nur das Wasser, das in der Belüftung zunimmt und abnimmt - der Durchfluss ist konstant?
@VladimirF: Der Niederschlag, der groß genug ist, um diesen Fluss zu erzeugen, kam wahrscheinlich von vorne und stieg von warmer feuchter Luft auf.Fehlt jedoch eine bessere Erklärung für Quellenschwankungen, haben Sie Recht, dass es keinen Grund gibt, zu erwarten, dass diese regelmäßig auftreten.Turbulente Schwankungen in großem Maßstab können das Wasservolumen so stark erhöhen, dass die flache Scherströmung vollständig überfordert sein kann. Dies ist ein Grund, warum Sie möglicherweise zu Recht an ihrer Auswirkung auf dieses Phänomen zweifeln.
Diese Antwort ist eindeutig falsch.Sie können an einem sonnigen Tag Rollwellen auf einem Slip-n-Slide erzeugen.Wie hast du 2 Upvotes bekommen?
@user121330: Sie haben Recht, dass Quellenschwankungen keine Rollwellen verursachen, aber sie können sich auf den Wasserfluss und damit auf einige Aspekte der Rollwellen auswirken.Ich habe die Antwort nicht gelöscht, da sie möglicherweise einen Untersuchungsbereich bietet, wenn jemand eine Anomalie in Rollwellen bemerkt, die nicht anders erklärt werden kann.Selbst der häusliche Wasserfluss von einem druckgeregelten Gebäude zu Ihrem Slip-n-Slide hängt davon ab, wie viele andere das Wasser verbrauchen und welche Turbulenzen im Schlauch auftreten.Ich habe die Antwort nach dem Lesen Ihres Kommentars bearbeitet, um deutlich zu machen, dass dies nicht die Ursache für Rollwellen ist.
Warum etwas ein periodisches / oszillierendes Verhalten zeigt, ist, dass die Bedingungen richtig sind: Das System hat einen niedrigen Energiezustand mit einer Rückstellkraft, die es in diesen Zustand zurückdrängt, wenn es verschoben wird, es fehlt an Dämpfung und es gibt eine QuelleEnergie in das System einspeisen.
@Kaz: Danke für diese kurze Erklärung.Ich sage nicht, dass Quellenschwankungen Rollwellen verursachen oder dass es einen Grund zu der Annahme gibt, dass Quellenschwankungen periodisch / oszillierend sind.Ich habe die Antwort bearbeitet.
Aber sie sind ungefähr.Nicht alle Schwingungen sind periodisch;es kann chaotische geben.Ich sage nicht, dass die Quellenschwankung die Wellen antreibt: nicht mehr als beispielsweise eine 2000-Hz-Note einer Geige, die durch ein 2000-Hz-Signal im Bogen verursacht wird!Der Bogen bewegt sich sanft und gleichmäßig.Die Saite fängt und löst sich chaotisch und verursacht Geräusche.Die Resonanz der Saite filtert das Rauschen auf bestimmte Harmonische.
Lelouch
2017-03-19 12:57:11 UTC
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Ich kann eine Erklärung haben.Ein solches Verhalten ist (vielleicht) in einer idealen Situation (gleichmäßige Oberflächen usw.) nicht zu erwarten.Wenn es sich also um eine Unregelmäßigkeit handelt, kann Folgendes zutreffen:

Angenommen, wir haben eine kleine Unebenheit / Unregelmäßigkeit / einen kleinen Hohlraum auf der Straße (sehr klein, vielleicht einen Zentimeter hoch und etwas länger entlang der Straße).Solche Dinge können auf der natürlichen Oberfläche der Straße durch ungleichmäßiges Erodieren erzeugt werden.Wenn also Regen auf den Hang fällt, wirken diese Unebenheiten / Hohlräume wie ein kleiner Damm / Stausee.Sehr bald Wenn jedoch der Regenwasserspiegel über ihre Höhe steigt, fließt das Wasser und stoppt wieder, wenn der Pegel untergeht.Aufgrund fallender Regentropfen spritzt Wasser in diesen Hohlräumen / Unebenheiten, wodurch sich mehr Wasser als die Gleichgewichtshöhe herausbewegt.Dies erzeugt einen periodischen Wasserfluss den Hang hinunter.

Grundsätzlich brauchen wir einen Mechanismus, um den (erwarteten) kontinuierlichen Fluss zu stören.Irgendwelche anderen Ideen?

Fragen können gestellt werden.

Ich bin mir nicht sicher, warum der Pegel jemals unter den Pegel der Beule sinkt ... Wasser, das über einen Damm fließt, ist kontinuierlich
Sie vergessen den Mechanismus, in dem der Pegel steigt.Fallende Tropfen sind keine sehr glatte Ursache für steigendes Wasser.Sie spritzen und nehmen mehr Wasser heraus, wenn es bereits am Rand ist, wodurch der Wasserstand wieder sinkt.
Ich müsste einige Tests durchführen, aber ich glaube nicht, dass Spritzer dazu führen, dass mehr Wasser austritt als eintritt, und selbst wenn dies der Fall wäre, würde dies nicht zu dieser langen gleichmäßigen Welle führen ...
Wenn die Vertiefung / Beule länglich ist, ein kleiner Riss oder etwas anderes, kann sich eine Wellenfront bilden, schließlich wird erwartet, dass zu jedem Zeitpunkt statistisch mehr als ein Tropfen spritzt.
Ich werde ein Experiment machen und berichten
Ich würde das eher schätzen, da ich das alles aus der Theorie aufgebaut habe.
@Tim Ich verstehe nicht, warum ein Tropfen nicht mehr Wasser entfernen konnte, als er enthielt: Eine kleine Menge Wasser, die mit hoher Geschwindigkeit ankommt, kann seine große Menge kinetischer Energie einer großen Menge Wasser verleihen, die sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt (erwägen Sie, a zu werfenZiegel in eine Badewanne).
Ich sehe nicht ein, wie ein Damm, der von ein paar Regentropfen überragt wird, sichtbare Wellenfronten mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern und einer Höhe von mehreren Millimetern verursachen würde.Die Wassermenge in einer dieser Wellen ist eine große Anzahl von Regentropfen.
Mmh, das Experiment war ziemlich nicht schlüssig - aber in der realen Welt kann ich mir keine ausreichend glatte Oberfläche vorstellen, so dass sie in einer glatten Wellenfront fließen würde - normalerweise würde es ein paar Wasserkanäle von tieferen Punkten im Kamm geben.@DavidRicherby Die kinetische Energie eines Regentropfens ist sehr gering - ungefähr eine Milijoule, trotz der beträchtlichen Höhe, die er gefallen ist (ich denke, sie haben eine ziemlich niedrige Höchstgeschwindigkeit?).Der Ziegel in Ihrem Beispiel hat ungefähr 10 Joule.
@Tim Der Ziegel war kein gutes Beispiel, aber ich habe nur versucht, schnell zu zeigen, dass ein fallender Gegenstand im Verhältnis zu seiner eigenen Größe "viel" spritzen kann.Sogar ein fallender Wassertropfen [kann ziemlich viel Wasser heben] (https://www.youtube.com/watch?v=QQ37RLXNAgc), aber ich denke, das grundlegende Problem hier ist eines der Größenordnung: Es ist schwer vorstellbar, wie einwenige spritzende Regentropfen verursachen eine so große Wellenfront.


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