2.12 船頭形成的波峰

這一節我們繼續有關河流的話題。站在河的橋上，當你聚精會神地觀察從你視線中疾駛而過的輪船時，你會發現輪船所留下的痕跡，如圖2-23所示，從船頭的地方分開兩道波峰。

圖2-23 船頭浪

這兩道波峰是怎么形成的呢？為了解答這個問題，讓我們再來研究一下將石頭投入水中所生成的圓圈波紋的問題。

每隔一段時間，我們往水里扔一塊塊的石頭，這樣就會在水面上形成大大小小的圓圈，投到最后一塊石頭的時候，產生的波紋圓圈也是最小的。如果石塊是沿著一條直線投擲的，那么這么多的圓圈就好像船頭形成的波浪一樣。投擲次數間隔越短，石頭越小，圓圈和波浪的形狀就越像。也可以用一根木棍插入水中制造出這樣的效果，用木棍不斷劃動水面，就會產生連續不斷扔石頭的水面效果，這樣看到的波浪就更像船頭產生的波浪了。

其實船頭在水中行駛的過程中，每一個瞬間和向水里扔石頭都是類似的，都會產生那種圓形的波紋，波浪逐漸向四周擴散，同時船還在朝前行進，也就產生了更多的波紋，如圖2-24（a）所示，這些連續不斷的波紋就像不斷扔石頭產生的效果一樣。兩個相近的波浪相遇就會連接在一起，而沒有碰撞的部分只是這些浪花外面的一小部分，將這些外面的部分連在一起，就形成兩條連續不斷的波峰，也就是這些圓的外公切線，如圖2-24（b）所示。這就是船頭切開水面會形成兩道波峰的原因。不過為什么船走得越快，兩道波峰所形成的角度就越大呢？

圖2-24 船頭浪是怎樣形成的

這并不難解釋，當船行駛的速度加大，它對水產生的壓力也會增加，于是產生的波紋會變大，圓的半徑變大后，兩條公切線所形成的角度自然也會變大。所以，任何在水中快速移動的物體都會在它們的后面形成類似的波紋（或叫水脊）。

對于一個不移動的物體來說，有水從它旁邊流過，也會看到散開的波紋，只是看起來不是很明顯罷了。水流加快的時候，尤其是流過橋墩的時候，由于不像輪船有螺旋槳的破壞，橋墩的波浪波紋看起來會更加清晰。當然，這一現象必須是物體和水有相對的移動才能產生，如果相對移動很慢的情況下，雖然能夠形成波紋，但是無法形成波峰，也就看不到波紋的外公切線了。

下面讓我們來看一道關于船頭波浪的題目。

[題] 決定船頭波浪兩道波峰之間角度大小的因素是什么呢？

[解] 圓形波浪對于不同的船只在水中的情況大致是相同的。所以，船頭經過水面所形成的波峰主要是取決于輪船的船速。如圖2-24（b）所示，從圓形波紋的中心我們向直線形波峰也就是公切線的切點引出半徑。于是就很容易知道在一段時間內船頭部分走過的路程就是O1B，在同一時間內波浪擴展的距離也就是O1A1，角O1BA1的正弦是O1A1和O1B的比也就是，同時也是波浪速度與輪船速度的比值。所以船頭波峰間的角B正好是這一角度的兩倍，它的正弦也就是圓形波浪擴展的速度與船速的比值。我們舉個例子，大多數的客貨海輪船頭浪波峰間的夾角都是30°，那么它的半角正弦sin15°等于0.26，那么輪船的船速相當于圓形波浪的擴展速度倍，大約是4倍。