水過鴨背
水過鴨背
韓啟光
2013年6月
大家有否留意,鴨子在水面游動時,會在其尾隨的位置留下長長的波紋(如圖一)? 這些波紋的形狀遵從特定的物理規律,並以其發現者命名為「開爾文1尾流」。

圖一 鴨子在水面留下的尾流 (筆者攝於芬蘭)
鴨子利用足蹼撥動水向前進時,水同時會對足蹼作出反作用力(根據物理學上的牛頓第三定律)。並在水面造成一系列包含不同頻率的波動,如拋石頭進水裡產生的漣漪。不同頻率或波長的波動在同一介質中(在這裡是水)以不同的速度傳播,這現象稱為頻散。由於頻散的關係,鴨子前進時所引起的各波動群組會以不同的速度移動。由於不同頻率的波動互相干擾,產生疊加或抵消作用,整個群組的主體會以一個群體速度(簡稱「群速」)前進,波紋因而出現(見圖二實線部分)。當鴨子前進時,會不斷產生波紋,若在足夠水深情況2,群速剛好是波速的一半,利用幾何學及微分可以算出角度的最大值約為19.5度。這就是波紋走向與鴨子移動方向之間夾角的上限。

圖二 「開爾文尾流」示意圖。由於波動能互相干擾,鴨子在不同時間(如A和B點)產生的波動(藍色圓圈)只有在特定位置(如紅線上)才不被抵消。 圖中黑、綠、藍色箭頭分別表示鴨子的移動速度、波速及群速。
只要符合足夠水深的要求,這條「尾巴」的形狀和角度不受波動源頭的質量、速度或地點影響。因此,不論是渡海小輪或鴨子,在世界不同角落的水面上遺下的尾跡均受同樣的角度限制(如圖三)。

圖三 世界另一角的鴨子尾流 (筆者攝於奧地利)
鴨子在江面暢泳會產生尾流,這些優美的波紋其實隠藏着水流速度及方向的急劇轉變。大氣中的運動同樣能產生尾流,在極端的情況下甚至會對航機升降構成無形的威脅。且留待下次再談。
備註:
[1] 威廉 • 湯姆森(1824-1907),英國科學家,獲封第一代開爾文男爵。
[2] 嚴格來說,波動須為「深水重力波」,其中水深要求大於波長的數倍或以上。
[1] 威廉 • 湯姆森(1824-1907),英國科學家,獲封第一代開爾文男爵。
[2] 嚴格來說,波動須為「深水重力波」,其中水深要求大於波長的數倍或以上。





本港天氣
天氣預測
天氣警告
漁民天氣
航運天氣
航空天氣
天氣監測圖像
地理信息系統天氣服務
熱帶氣旋
中國天氣
世界天氣
氣候資料服務
警告及信號資料庫
特殊天氣現象統計資料
每月天氣摘要
氣候變化
厄爾尼諾與拉尼娜
地震
海嘯
潮汐
地磁
太空天氣
天文觀測天氣資訊
互動版太陽路徑圖
天文資料
有趣天文現象
授時服務
曆法
年曆
實時香港輻射水平
認識輻射
輻射監測、評價及防護
環境輻射監測計劃
大亞灣應變計劃
相關網站
學校
旅遊
運動
戶外攝影
社區天氣觀測計劃
長者
觀星
天文台之友
小小天文台
教育資源
360 漫遊天文台
「度天」賞雲
國際雲圖(簡體中文)
天文台全方位遊
公眾課程及活動
訂閱電子通訊
研究論壇
刊物
國際原子能機構
臨近預報區域專業氣象中心(英文)
亞洲航空氣象中心
社交媒體
新聞公報
最新消息
天文台最新動態
立法會答問
天文台網誌
天氣隨筆
天氣廣播站
氣象冷知識
新聞發佈會
有關熱帶氣旋的廣播
天文台消息
職位空缺
招標公布
應用程式
個人版網站
天氣精靈
文字版本
RSS天氣資訊頻道
有聲網頁
表格
開放數據集
天文台部門短片
抱負和使命
組織結構
品質管理
香港天文台 - 香港便覽
香港天文台2024
服務概覽
天文台綱領範圍
香港天文台的歷史
事業@香港天文台
瀏覽數字











