¿Por qué el agua de lluvia forma ondas en movimiento en el suelo? ¿Hay un nombre para este efecto? [duplicar]

Hace un rato estaba lloviendo y noté que, en el pavimento inclinado, el agua fluía en ondas periódicas consistentes muy regulares, como se ve a continuación.

Sin embargo, me di cuenta de que no tenía idea de por qué debería estar sucediendo esto. En realidad, no había nada cuesta arriba que creara estas olas, y continuaron descendiendo hasta donde llegaba el pavimento, a pesar de la lluvia que caía sobre ellas en el camino. ¿Por qué el agua no fluía con suavidad o irregularmente?
¿Qué causa los patrones de ondas notables? ¿Hay un nombre para este fenómeno?

¿Depende la longitud de onda de la inclinación del pavimento?
¿Se descarta el viento como posible causa? Si no, especulo que el patrón es causado por ráfagas de viento.
@aroth: Sí, no hacía mucho viento...
¿Esto NO es un duplicado? physics.stackexchange.com/q/22897
Creo que la respuesta principal aquí realmente necesita migrarse a este original.

Respuestas (4)

Estas ondas se llaman "ondas de balanceo". Se deben a una inestabilidad en los flujos de cizallamiento poco profundos. El análisis es demasiado complejo para una respuesta breve, pero si busca en Google "Roll Wave", encontrará más imágenes y enlaces a artículos técnicos. Si no le molestan un poco las matemáticas, encontrará una discusión sobre la causa de la inestabilidad a partir de la página 259 en estas notas de lectura en línea: https://courses.physics.illinois.edu/phys508/fa2016/amaster.pdf

Una vez que las olas se han formado debido a la inestabilidad, la forma real, una serie de olas rompientes, se debe al efecto de propagación no lineal descrito por md2perpe: cuanto más profunda es el agua, más rápida es la ola.

Esta parece ser la única respuesta que no es especulación y da una razón clara. Me alegra ver que hay mucho análisis sobre esto, incluso si no puedo seguir la mayor parte de las matemáticas.
¡Gran respuesta! Gracias por el enlace a sus notas de clase, que leeré con gran interés. Sin embargo, puede ser que los microcambios en el flujo de la fuente sean al menos un factor que contribuya a este fenómeno. Puedo cambiar de opinión después de leer tus notas.
Me doy cuenta de que necesita google "roll waveS" plural. En el sigular te pierdes de golpes en otro tipo de olas.
En mis búsquedas en Google (hay mucha contaminación de información, intente "ondas de balanceo de física", "ondas de balanceo de dinámica de fluidos", "flujo de corte de ondas de rollo", etc.) encontré un buen artículo sobre el tema: math.ubc. ca/~njb/Research/mandre.pdf - Lo que incluso llega a mencionar explícitamente que "las ondas [de rollo] también son ocurrencias comunes en películas de fluido laminar poco profundas que fluyen en canaletas de calles y cristales de ventanas en días lluviosos" .
+1 gracias! Parece ser exactamente eso :) ¡también me encanta el análisis en las notas!
@Mehrdad en.wikipedia.org/wiki/… ...En las capas críticas, la ecuación de Rayleigh se vuelve singular. Esta es toda la "inestabilidad" raleygh. Estas ondas de rollo sistemáticas aún se pueden definir fácilmente con una matemática sólida sin demasiada complejidad; es decir; core.ac.uk/download/pdf/4890972.pdf página 23->

Creo que la explicación es que las olas de diferente tamaño corren con diferentes velocidades. Esto hace que las ondas más rápidas corran hacia las más lentas, lo que hace que se acumulen o interfieran constructivamente.

Esto como una explicación especulativa, que describe la fluctuación de la fuente que podría afectar el volumen de agua que fluye por la calle. No es la causa del fenómeno de las ondas de balanceo (consulte la excelente respuesta de Mike Stone), pero puede afectarlo al aumentar el volumen de agua lo suficiente como para interrumpir las ondas de balanceo. He observado microvariaciones en los flujos de los arroyos de montaña que no se caracterizan por flujos de corte poco profundos.

Cuando un frente frío atraviesa aire caliente , empuja el aire caliente hacia arriba y sobre la celda de aire frío que avanza. El aire frío en movimiento forma una cuña y crea un plano inclinado por el que sube el aire caliente. Asimismo, cuando un frente cálido empuja aire frío, sube sobre el aire frío, pero como el aire frío abraza el suelo con más tenacidad que el aire caliente, el plano inclinado tiene una pendiente más gradual. En cualquier caso, el aire caliente sube a la atmósfera gradualmente, no directamente hacia arriba.

Las nubes se forman cuando el aire caliente húmedo alcanza la altitud de condensación, donde el aire caliente ascendente se enfría hasta el punto de rocío. A medida que el aire caliente ascendente se enfría y se expande, el punto de rocío cambia a medida que cambia la presión dentro de la nube.

Cuando la cinta transportadora ascendente de aire húmedo adquiere la temperatura del aire circundante, deja de subir y el punto de rocío deja de caer. Las gotas comienzan a condensarse, y cuando son lo suficientemente grandes como para que la fuerza de la gravedad las saque de la cinta transportadora estancada de aire húmedo, caen como precipitación.

El proceso no afecta todo el aire de la nube simultáneamente. A medida que las capas saturadas de aire cálido ascienden por la pendiente del aire frío, el tiempo brinda la oportunidad de cambios en el microclima que pueden variar la cantidad de precipitación que cae desde la parte superior de la cinta transportadora.

Las ondas que ve en el pavimento liso pueden verse afectadas ya que el volumen del flujo varía con las corrientes de aire y las condiciones de temperatura en la parte superior de la cinta transportadora atmosférica, donde la presión, la temperatura y el punto de rocío experimentan microcambios.

Esto podría verificarse observando una liberación de agua estrictamente controlada por la misma superficie. Si las características de las olas que aparecen durante una descarga estrictamente controlada difieren de las olas que aparecen durante la lluvia, puede indicar que la fluctuación de la fuente tiene un efecto.

¿Y es factible que la intensidad de la lluvia varíe en un factor bastante sustancial, con un período de un par de segundos?
@DavidRicherby: He observado microvariaciones similares en el caudal de los arroyos de montaña durante e inmediatamente después de la lluvia. Cambié la respuesta, la etiqueté como especulativa y propuse un experimento que podría ayudar.
¿Tiene alguna razón para creer que esta precipitación tiene algo que ver con algún frente o cinta transportadora? Incluso si es así, cualquier fluctuación causada por la estructura de la cinta transportadora sería a una escala mucho mayor y menos regular. A menudo se puede ver que la intensidad de la lluvia varía en pulsow, pero en su mayoría son solo turbulencias. Puede ser una serie de características similares a microrráfagas débiles, pero la escala sería mucho mayor.
He observado lo mismo en una cascada. Creo que es posible que solo el agua aumente y disminuya en la aireación: ¿el flujo es constante?
@VladimirF: Las precipitaciones lo suficientemente grandes como para producir este flujo probablemente provinieron de un frente y del aire cálido y húmedo ascendente. Sin embargo, a falta de una mejor explicación para las fluctuaciones de la fuente, tiene razón en que no hay razón para esperar que sean regulares. Las fluctuaciones turbulentas a gran escala pueden aumentar tanto el volumen del agua que el flujo de cizallamiento superficial puede verse abrumado por completo, razón por la cual puede tener razón al dudar de su efecto en este fenómeno.
Esta respuesta es claramente incorrecta. Puede crear ondas onduladas en un deslizamiento y deslizamiento en un día soleado. ¿Cómo obtuviste 2 votos a favor?
@ user121330: Tiene razón en que la fluctuación de la fuente no causa ondas de balanceo, pero puede tener un efecto en el flujo de agua y, por lo tanto, en algún aspecto de las ondas de balanceo. No eliminé la respuesta, porque puede proporcionar un área de investigación si alguien nota una anomalía en las ondas de balanceo que no se puede explicar de otra manera. Incluso el flujo de agua doméstica desde un edificio con regulación de presión hasta su deslizador varía según cuántos otros usen el agua y la turbulencia en la manguera. Edité la respuesta después de leer tu comentario, para dejar en claro que esta no es la causa de las ondas de balanceo.
La razón por la cual algo exhibe un comportamiento periódico/oscilante es que las condiciones son correctas: el sistema tiene un estado de baja energía con una fuerza restauradora que lo lleva de vuelta a ese estado cuando se desplaza, hay una falta de amortiguamiento y hay alguna fuente. alimentación de energía al sistema.
@Kaz: Gracias por esa explicación concisa. No estoy diciendo que la fluctuación de la fuente provoque ondas de balanceo o que haya alguna razón para creer que las fluctuaciones de la fuente son periódicas/oscilantes. Edité la respuesta.
Pero aproximadamente lo son. No todas las oscilaciones son periódicas; puede haber caóticos. No estoy diciendo que la fluctuación de la fuente impulse las ondas: ¡no más que, digamos, una nota de 2000 Hz de un violín causada por una señal de 2000 Hz en el arco! El arco se mueve suave y constantemente. La cuerda se engancha y suelta caóticamente, provocando ruido. La resonancia de la cuerda filtra el ruido a ciertos armónicos.

Puedo tener una explicación. Tal comportamiento no es de esperar (quizás) en una situación ideal (superficies uniformes, etc.). Entonces, si se debe a una irregularidad, lo siguiente puede ser cierto.

Supongamos que tenemos un pequeño bache/irregularidad/cavidad en la carretera (muy pequeño, quizás de un cm de altura, y un poco más largo a lo largo de la carretera). Este tipo de cosas se pueden crear en la superficie natural de la carretera debido a la erosión no uniforme. Entonces, cuando llueve en la ladera, estos baches/cavidades actúan como una pequeña presa/depósito, respectivamente. Sin embargo, muy pronto, cuando el nivel del agua de lluvia sube más allá de sus alturas, el agua fluye y se detiene nuevamente cuando el nivel desciende. Debido a las gotas de lluvia que caen, el agua en estas cavidades/protuberancias salpica, lo que hace que salga más agua que la altura de equilibrio. Esto crea un flujo periódico de agua por la pendiente.

Básicamente, necesitamos un mecanismo para interrumpir el flujo continuo (esperado). ¿Alguna otra idea?

Se puede hacer cualquier pregunta.

No estoy seguro de por qué el nivel se reduce por debajo del nivel del bache... el agua que fluye sobre una presa es continua
Estás olvidando el mecanismo por el cual sube el nivel. La caída de gotas no es una causa muy suave del aumento del agua. Salpican, sacando más agua cuando ya está en el borde, haciendo que el nivel del agua baje de nuevo.
Necesitaría hacer algunas pruebas, pero no creo que las salpicaduras provoquen que salga más agua de la que entra, e incluso si lo hiciera, no causaría esta onda larga y uniforme...
Si la depresión/protuberancia es alargada, una pequeña grieta o algo así, se puede formar un frente de onda, después de todo, estadísticamente se espera que más de una gota salpique en cualquier instante.
voy a hacer un experimento y te comento
Preferiría apreciar eso, ya que construí todo esto a partir de la teoría.
@Tim, no veo por qué una gota no podría eliminar más agua de la que contenía: una pequeña cantidad de agua que llega a alta velocidad podría impartir su gran cantidad de energía cinética a una gran cantidad de agua que se mueve a baja velocidad (considere arrojar un ladrillo en una bañera).
No veo cómo una presa desbordada por unas pocas gotas de lluvia podría causar frentes de onda visibles de varios centímetros de ancho y varios milímetros de alto. La cantidad de agua en una de estas olas es una gran cantidad de gotas de lluvia.
Mmh, el experimento no fue concluyente, pero en el mundo real no puedo imaginar una superficie lo suficientemente suave como para que fluya en un frente de onda suave; normalmente habría un par de canales de agua desde los puntos más bajos de la cresta. @DavidRicherby, la energía cinética de una gota de lluvia es muy pequeña: alrededor de un milijulio, a pesar de la altura significativa que ha caído (¿creo que tienen una velocidad máxima bastante baja?). El ladrillo de tu ejemplo tiene alrededor de 10 julios.
@Tim El ladrillo no fue un gran ejemplo, pero solo estaba tratando de mostrar rápidamente que un objeto que cae puede salpicar "mucho" en relación con su propio tamaño. Incluso una gota de agua que cae puede levantar una gran cantidad de agua , pero creo que el problema fundamental aquí es de escala: es difícil imaginar cómo unas pocas gotas de lluvia causan un frente de onda tan grande.