Флювіальний або проливний для науки
Залежно від того, чи є потік сильним чи слабким, нерівності русла по-різному формують глибину води та її швидкість.
Потік, швидкість і тяга
Як змінюється швидкість залежно від глибини води? Щоб це з'ясувати, ми розглядаємо ділянку річки і нав'язуємо, що її моторна вага (пропорційна площі ділянки (ширина × глибина) річки та схилу) дорівнює в постійному режимі сила тертя (пропорційна квадрату швидкості та ширині потоку). Таким чином, ми виявляємо, що швидкість пропорційна квадратному кореню добутку схилу та осадці (глибині води). Ця формула, виголошена французьким інженером Антуаном Шезі в 1775 році, була вдосконалена в 1923 році з урахуванням того, що сила тертя залежить від глибини; потужність, з якою глибина втручається у вираз швидкості, дорівнює 2/3, а не 1/2.
Потік, рівний добутку швидкості на переріз, ми робимо висновок, що тяга зростає із збільшенням потужності 3/5 потоку, а швидкість зростає із збільшенням потужності 2/5 потоку. Іншими словами, коли потік збільшується, збільшується і тяга, і швидкість.
На практиці витрата визначається об’ємом опадів та протяжністю басейну річки. Осадок і швидкість річки регулюються відповідно. Якщо швидкість потоку, що накладається атмосферними опадами, перевищує швидкість потоку, що відповідає протягу, рівному глибині шару, це затоплення. У випадку із Сеною, потік може коливатися від приблизно 80 кубічних метрів на секунду в періоди сильної маловоддя до 2600 кубічних метрів на секунду у разі виняткової повені; тому проект варіюється у вісім разів.
Що трапляється з осадкою та швидкістю течії, коли потік порушений, наприклад, через наявність шишки на дні русла річки? Давайте підемо за скибочкою води, коли вона прогресує, перетинаючи перешкоду. Якщо перешкода невелика, розсіювання енергії незначне, а енергію водного зрізу можна вважати постійною. Це також стосується потоку, оскільки кількість матеріалу зберігається від перебігу до потоку.
Два крайні випадки проливають світло на можливу поведінку води при зіткненні з перешкодою. Розглянемо спочатку потік, де потік швидкий. Подібно до того, як велосипедист пересувається через нерівність, швидкість води зменшиться: кінетична енергія перетворюється в потенційну енергію гравітації, щоб подолати перешкоду. Збереження потоку призводить до збільшення глибини (насправді, товщини) води.
Еквівалент числа Маха
Для одного і того ж удару, чим менша швидкість потоку, тим більше уповільнення: те саме стосується зміни тяги і, отже, енергії, необхідної для подолання перешкоди. Вам доведеться "заплатити" за висоту центра ваги водного зрізу, і ця висота збільшується, коли швидкість зменшується.
Настає момент, коли швидкість руху вище за течією є занадто низькою, щоб кінетична енергія водного зрізу компенсувала потенційні витрати енергії. Поведінка води різко змінюється. Оскільки неможливо перетворити достатньо кінетичної енергії в потенційну, то все навпаки. На рівні удару протяг зменшується; центр ваги водного зрізу опускається і зменшення потенційної енергії відновлюється як кінетична енергія, яка збільшується. В результаті швидкість потоку збільшується.
Така поведінка виявляється, коли водотік звужується, або природним шляхом, або за рахунок присутності арок мосту: якщо потік швидкий вгору за течією, тяга збільшиться, а швидкість зменшиться - це режим проливу. В іншому випадку осадок зменшується, а швидкість течії зростає - це річковий режим.
Як визначити, потік поводиться як річка чи потік? Роблячи відношення кінетичної енергії до потенційної енергії середньої ваги, пов'язаної з тягою. Квадратний корінь цього енергетичного відношення, що називається числом Фруда, дорівнює швидкості потоку, поділеній на квадратний корінь із добутку тяги та прискорення сили тяжіння. Цей дільник також є швидкістю поширення хвилі у воді. Отже, число Фруда є гідравлічним еквівалентом числа Маха для потоків газу. Якщо швидкість потоку нижче швидкості хвилі, число Фруда менше одиниці, а режим потоку річковий. Для більш крутого схилу або більшого потоку число Фруда може перевищувати одиницю: це точний аналог переходу від дозвукового режиму до надзвукового в газах.
Це свідчить потік у жолобі з неправильним дном. У річковому режимі поверхня майже не зморщена. З іншого боку, в проливних умовах з’являється хвиля - тієї ж природи, що і звукова хвиля надзвукових літаків. Пульсації, створені перешкодою, поширюються і заносяться струмом, який проводить діагональні лінії в потоці; ці структури аналогічні конусу Маха, створеному в повітрі площинами, що проходять звуковий бар'єр.