Ondas de agua en la estela de un barco

Cuando era niño noté que las olas de la estela de mi modelo de barco se abrían en abanico. Si miraba el extremo más alejado del bote, el frente se había girado de modo que casi corría en la misma dirección que mi bote.

Estela curva

La ola también pareció doblarse al hacer esto exactamente de la manera opuesta a la que esperaba; las olas de una piedra arrojada a un estanque son circulares, por lo que esperaría que las olas de un bote se doblaran 'hacia atrás' en lugar de doblarse para correr casi paralelas al bote. Encontré un video en You Tube que muestra esto bastante bien, aunque sea brevemente:- https://www.youtube.com/watch?v=PP35lbrx0JQ El ejemplo comienza en 2'55". Busqué en Internet en vano por una explicación. Creo que puede ser una ilusión porque la distancia entre las crestas aumenta con el tiempo. ¿Puede alguien explicarme esto, por favor? Además, ¿las crestas de las olas se están acelerando? Y si es así, ¿qué lo está causando? Muchas gracias si poder.

Hola, Juan. He agregado un diagrama que creo que representa lo que estás preguntando. Estoy de acuerdo en que el video de Youtube parece como si la estela fuera curva. Si me equivoqué o no te gusta el diagrama, grita y lo borro.
Por curiosidad, si conoces bien el lago, ¿puedes decir si es menos profundo/o más profundo en el punto donde se produce el efecto? gracias
¡Hola y gracias por responder! 1. El diagrama es casi correcto, excepto que la estela se abre en abanico desde la parte delantera del barco y se curva, pero no tanto como en el diagrama. 2. No conozco el lago en el video, pero el lago donde noté esto por primera vez ciertamente tenía un fondo plano cuando lo vi drenado, la gente se vadeaba y yo también me caí cuando era un niño. 3. Estoy bastante seguro de que también he notado esto con los transbordadores. 4. Mi propia teoría (adivinación salvaje) es que la distancia entre las crestas aumenta a medida que la ola envejece como consecuencia de que su altura disminuye. Si esto sucede de una manera no lineal, ¿obtendrías la curva?

Respuestas (2)

En primer lugar, gracias a todos los que se interesaron, especialmente a @irishphysics, que se quedó con la pregunta durante algún tiempo.

Resulta que el fenómeno fue analizado y resuelto por Lord Kelvin y se conoce como el patrón de onda de Kelvin. El patrón en sí es el resultado de una onda de presión que se propaga y que se manifiesta como las crestas curvas de las olas divergentes (las que describí como dobladas en mi pregunta original) y un conjunto de ondas transversales que siguen junto con (y detrás) del barco. .

La explicación completa (matemática) está aquí: ( https://www.math.ubc.ca/~cass/courses/m309-01a/carmen/Mainpage.htm ).

El patrón de onda final (modelado) del enlace anterior se ve así:

Patrón de onda modelado

que para mí está bastante cerca de mi experiencia.

Para aquellos que sugirieron que la profundidad del agua tenía algo que ver con eso: tenían razón en parte en que el ángulo preciso de las olas desde la proa depende de la profundidad del agua y no de la velocidad del barco.

También hay una buena explicación de la física aquí: - ( http://www.prirodopolis.hr/daily_phy/pdf/speed.pdf )

Desde este enlace a continuación "La refracción es la flexión de las olas debido a las diferentes profundidades del agua debajo. La parte de una ola en aguas poco profundas se mueve más lentamente que la parte de una ola en aguas más profundas. Entonces, cuando la profundidad debajo de la cresta de una ola varía a lo largo de la cresta , la onda se dobla.

Consulte " http://www.coastal.udel.edu/ngs/waves.html

Entonces, supongo que se debe a variaciones en la profundidad del agua o es una ilusión óptica. Si puede verificarlo fácilmente, traería una vara de medir y tomaría medidas alrededor del área debajo de donde se dobla la ola.

La conservación de la energía es primordial aquí (como saben), así que no importa lo que pensemos que vemos , si mantiene su bote a una velocidad constante, en realidad, esa estela se disipará solo hacia los lados, nunca hacia atrás, con el tiempo. . Entonces, a menos que haya otra fuerza presente para darle más "golpe" a la onda, la curvatura debe ser una ilusión óptica, sin importar cuántos observadores estén de acuerdo en que la vieron.

Entonces, ¿qué posibles fuerzas podrían empujar la estela hacia el barco? Normalmente, se extendería más y más a medida que el barco se aleja, pero para cambiar de dirección hacia el barco se necesita una fuerza y, a menos que la idea del cambio de profundidad sea cierta, vea el enlace anterior, no hay otra fuerza que cause esta inversión. en dirección Si la profundidad del lago es constante, eso agrega apoyo a la idea de la ilusión.

No tengo experiencia en estelas de agua (aparte de ser un pasajero en transbordadores y botes de remos), pero me parece que las ondas de agua, como espejismos y arcoíris, son una causa muy probable de ilusiones ópticas de que cualquier cosa estática, simplemente porque hay muchas más variables involucradas.

Entonces, para resumir, a menos que pueda probar la profundidad para asegurarse de que sea constante y asegurarse de que no haya otras fuerzas involucradas, como un viento que sopla hacia el bote, apostaría mi dinero en la explicación de la ilusión.

No creo que este sea el caso. Ex. i.stack.imgur.com/PaSas.jpg parece no tener asimetría y las líneas de fase constante (o máximas si lo prefiere) ¡todavía se doblan hacia afuera!
¡hermosa fotografía! Aún así, si es fácil de probar... bueno... ¡es fácil de probar!
Un poco fuera de mi profundidad aquí (lo siento, no pude resistir), pero podría haber un efecto de escala. OP tiene un bote de juguete a baja velocidad, "tu" bote parece que realmente se está moviendo. ¿Es esto plausible como un factor contribuyente? Suposición total, lo admito.
Hola, gracias por tu interés. Aunque no conozco este lago en particular, el lago donde lo observé por primera vez no varió en profundidad. Tengo otra observación que puede estar relacionada. Si dejas caer una piedra en un estanque, las olas que se abren en abanico se vuelven menos profundas y sus crestas se separan más antes de desaparecer. Según tengo entendido, eso significa que la longitud de onda aumenta. Pero no tengo idea si la frecuencia se mantiene constante o no. En lo que respecta a la velocidad del barco, solo me he dado cuenta de los barcos que no están planeando y producen una onda sinusoidal suave y agradable. El bote en el video tiene una velocidad constante.
@JohnP Con las ondas de luz, las ondas de las que sé más que las ondas de agua, cuanto más larga es la longitud de onda, menor es la frecuencia, y cuanto menor es la frecuencia, menos energía tiene la onda. Para mí, eso tiene sentido porque la energía de una piedra que cae eventualmente se desvanecerá a medida que su ola se extienda por el lago. Seguro que parece que se está curvando en tu video. Me pregunto, si la próxima vez que uses el bote, ¿podrías preguntarle a otras personas si ven lo mismo? Sería mejor no hablar primero sobre la curva, solo pedirles que describan la estela.
Hola, gracias por las observaciones. Parece que las ondas de agua (ww) son cosas muy complejas. Consulte newton.ac.uk/event/tww . La imagen de NeuroFuzzy sugiere que el fenómeno tampoco se limita a los modelos. ¿Crees que el frente ww podría acelerar a medida que se propaga? Si es así, tal vez eso explicaría por qué la ww está curvada de la forma en que lo está: ¿la parte más antigua se mueve más rápido que la parte creada recientemente? Hay un sitio web dedicado a Feynmans Lectures in Physics feynmanlectures.info . Echaré un vistazo allí a ver si puede darnos una pista, ¡o la respuesta!
¡Hola, RPF habría solucionado este problema en un nanosegundo! Creo absolutamente que usted mismo lo vio curvarse hacia atrás, pero en mi opinión, mirar un video por un corto tiempo no es tan bueno como 10 personas diciendo: "sí, también lo vimos, ¡estuvimos allí!" ¿Crees que el frente ww podría acelerar a medida que se propaga? Si es así, tal vez eso explicaría por qué la ww está curvada de la forma en que lo está: ¿la parte más antigua se mueve más rápido que la parte creada recientemente? Creo que tu idea está respaldada por coast.udel.edu/ngs/waves.html , pero su argumento se basa en cambios en profundidad. seguiré pensando....
Hola, eché un vistazo a las conferencias de RPF y en Vol1 Ch51-4 ( feynmanlectures.caltech.edu/I_51.html#Ch51-S4 ) analiza (y tiene una imagen de) la estela de un barco. Parece que la 'curva' podría ser una ilusión ya que 2 ondas interactúan. La onda V más pequeña es como un cono de sonido (esperado), pero ¿las ondas paralelas más grandes? RPF dice que puede, con ingenio, analizarlo simplemente sabiendo que la velocidad de fase es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de onda. El refuerzo de las dos olas también explicaría el aumento de la altura de la ola de proa alejándose de la proa en el video. Pero, ¿por qué esas profundas ondas paralelas?
Hola, algunas ideas, primero edite su pregunta para incluir la etiqueta de física experimental. Eso podría atraer a más personas con experiencia práctica. También editaría la pregunta para incluir los puntos principales y los enlaces en estos comentarios. ¿Puedes variar la velocidad del bote? Si es así, ¿qué ves? Si tiene una idea de la velocidad real, la incluiría en la pregunta. Pienso que es una ilusión pero probando esa conjetura necesita, a. Detalles de la profundidad del agua y b. Más observadores a los que no se les dice qué buscar primero.
@JohnP Hola John, pensándolo un poco más, he editado mi respuesta para tratar de abordar directamente tu primera pregunta... es decir, ¿la estela realmente se está doblando hacia atrás? Alguien con más experiencia en dinámica de fluidos podría responder a su comentario. Pero, ¿por qué esas ondas paralelas profundas? si publicas esto como una nueva pregunta. Pero te garantizo que tomaré más en cuenta las ondas de agua en el futuro :) ..saludos cordiales
Potencialmente, está ocurriendo otro efecto. Si los barcos usan hélices dobles (tornillos), entonces están creando vórtices helicoidales en el agua. La "parte superior" de tales vórtices está expuesta al aire, pero la parte inferior está bajo el agua, donde la fricción es mayor. Por lo tanto, los vórtices "ruedan" hacia afuera. Esto puede hacer que la estela se curve hacia afuera y hacia adelante. ¿El barco del OP tiene tornillos dobles? ¿Ocurre el mismo efecto en barcos con un solo tornillo?
@PeterWebb Hola Peter, muy buen punto. No sé nada sobre el bote del OP (en cuanto a la dinámica de fluidos, sé las ecuaciones de N-Stokes cuando las veo, pero eso es todo). Asumiendo que el barco del OP no tiene una salida de vórtice helicoidal, pero que algunos barcos más grandes sí lo tienen, eso implicaría que este efecto debería estar presente de manera mucho más prominente en la nave más grande... una potencia de salida mucho mayor. ¿etc? es solo que busqué en Google un poco y no vi ninguna referencia o imagen que demuestre este efecto. En mi opinión, la estela aún se aplanaría antes de regresar, pero es solo una opinión, gracias, saludos.
Gracias por los comentarios @irishphysics: soy nuevo en este sitio, pero intentaré seguir las sugerencias de edición. Saludos a la idea de Peter: me di cuenta de esto por primera vez cuando era un niño (alrededor de 6 o 7 años) cuando navegaba en un modelo de yate y me lo 'confirmé' al observar embarcaciones motorizadas (que tenían una velocidad constante). Haré una nueva pregunta sobre la imagen en las conferencias de RPF e intentaré ser más específico sobre las muchas variables. Saludos cordiales :) JP
Ondas de agua en la estela de un barco
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