Тема 11. Швидкості течії води

11.1. Поняття про миттєву та місцеву швидкості.

Швидкістю течії води в потоці називається віддаль, на яку переміститься за одиницю часу в процесі руху частинка або деякий об’єм води. У руслових потоках спостерігається турбулентний режим руху води, який характеризується переміщенням мас води, що спричинює пульсацію швидкостей як за величиною, так і за напрямком.

У зв’язку з наявністю пульсації швидкостей розрізняють миттєву і місцеву швидкість в точці потоку. Миттєвою швидкістю називається швидкість в даній точці потоку в дану мить. Вона змінюється в часі як за величиною так і за напрямком. Швидкість течії в точці потоку, усереднена за певний час, називається місцевою швидкістю і визначається за виразом

(48)

де - площа графіка пульсації швидкості; Т – період осереднення. Період осереднення приймається рівним 100с. Це означає, що для визначення місцевої швидкості в точці, тривалість вимірювання повинна тривати не менше 100 с. Надалі будемо розглядати місцеві швидкості потоку і позначати їх буквою u без риски.

11.2. Характер розподілу швидкостей в потоці.

Розподіл швидкостей течії води в річному потоці залежить від морфологічний особливостей та шорсткості русла, уклону водної поверхні потоку. Розглянемо розподіл швидкостей по глибині потоку. Графік розподілу швидкостей по глибині потоку (від поверхні води до дна) називається епюрою швидкостей або годографом (рис. 30 ).

Рис. 30 Епюри швидкостей течії

а) на вертикалі; б) на вертикалі біля перешкоди; в) на вертикалі при льодовому покриві (1) і при шузі (2); г) на вертикалі від плеса до перекату; д) поверхневих швидкостей по ширині річки

При відкритому руслі найбільша швидкість спостерігається на поверхні потоку, а найменша – біля дна. Це зумовлюється тим, що сила тертя між шарами води та повітря значно менша, ніж сила тертя між шаром води та дном. Якщо виміряти площу епюри швидкостей і поділити її на глибину вертикалі, то одержимо середню швидкість на вертикалі (u_в). Середня швидкість на вертикалі виражається залежністю

(49)

Середня швидкість на вертикалі знаходиться близько 0,6h від поверхні води. При наявності льодового покриву найбільша швидкість переважно буває на 0,3-0,4 глибини від поверхні води, а коли крім льоду є ще й шуга, то максимальна швидкість буде на (0,6÷0,7)h від поверхні води. Розподіл швидкостей (поверхневих або середніх на верти­калі) по ширині річки називають епюрою швидкостей по ширині річки (рис. 31а). Розподіл швидкостей по живому перерізу річки можна зобразити у вигляді ізотах – лініях рівних швидкостей (рис. 31б).

Рис. 31 Ізотахи у відкритому руслі (а) і під льодовим покривом (б)

При відкритому руслі ізотахи мають вигляд незамкнутих ліній. Найбільші швидкості мають місце на поверхні по середині потоку. При наближенні до берегів та дна швидкості зменшуються. При наявності льодового покриву частина ізотах замкнена, а найбільша швидкість знаходиться ближче до середини потоку.