4. Рух води у природі

Вода у водних потоках рухається (тече) під дією сили тяжіння. Швидкість течії залежить від співвідношення між величиною складової сили тяжіння і сили опору, яка виникає в потоці в результаті тертя маси води до дна і берегів потоку. Величина поздовжньої сили ваги залежить від похилу русла, а сила опору – від шорсткості русла.

У природі існує два режими руху рідини, в тому числі і води, – ламінарний і турбулентний. Ламінарний рух являє собою пара­лельно-струминний рух. Кожна частка води при цьому русі перемі­щується паралельно руху всієї маси рідини. Ламінарний рух залежить від густини рідини і опору руху, який пропорційний швидкості. Ламінарний рух спостерігається переважно в підземних водах.

У природних потоках існує майже виключно турбулентний рух. При цьому русі швидкість має пульсуючий характер, безперервно змінюючись і за величиною, і за напрямком. Показники коливань швидкості в кожній точці знаходяться біля стійких середніх значень, якими і користуються гідрологи. При певних співвідношеннях між глибиною і швидкістю ламінарний рух переходить у турбулентний. Це співвідношення виражається безрозмірним числом Рейнольдса (Re), яке описується залежністю:

Де V_сер – середня швидкість в см/с;

H_сер – глибина в см;

 – коефіцієнт кінематичної в’язкості рідини.

Глибини і швидкості, при яких ламінарний рух переходить у турбулентний, називаються критичними. Для відкритих каналів числа

Рейнольда, при яких змінюється режим руху, коливаються в межах 300–1200. Так за даними М.А. Великанова, при глибині 10 см критична швидкість дорівнює 0,40 см/с, а при глибині 100 см вона знижується до 0,04 см/с.

В залежності від гідравлічних характеристик водного потоку виділяють рівномірний, нерівномірний і несталий (мінливий) рух.

При рівномірному русі швидкості течії, поперечний (живий) переріз, витрата води постійні по довжині потоку і не змінюються в часі. Такий рух можна спостерігати в штучно створених руслах з постійним похилом і поперечним перерізом.

При нерівномірному русі похил, швидкості, живий переріз не змінюються в даному створі в часі, але змінюються по довжині потоку. Цей рух спостерігається на річках під час межені, а також в умовах підпору. Нерівномірний рух може бути сповільнений і прискорений. При сповільненому русі крива вільної водної поверхні приймає форму кривої підпору. Похил водної поверхні стає менше похилу дна, глибини при цьому збільшуються. При прискореному русі крива вільної поверхні потоку називається кривою спаду. При цьому глибина уздовж потоку зменшується, а швидкість і похил водної поверхні збільшуються.

При несталому русі всі гідравлічні елементи потоку (похил, швидкість, площа живого перерізу) на певній ділянці змінюються в часі і по довжині. Несталий рух характерний для річок під час проходження повеней і дощових паводків.