你有注意過在海面上上下下擺動的海鷗嗎?可能你也看過衝浪客乘著一道浪,讓浪帶他們回到岸上。 也許你有在湖面上漂浮的經驗,身體在波浪經過時因而上下起伏。你可能也見過被海浪沖上岸的碎屑,例如漂流木。波浪很迷人——它們有各種大小,從微小的波紋到10米高的巨浪。你看得見它們,但你知道,是什麼驅動它們的嗎?,以及它們是如何在海洋中移動的呢?
在這項活動中,你將把海洋帶回家,在瓶子裡製造海浪。你還將磨練你的觀察能力,找出為什麼有些波浪很慢,而有些很快的原因。
風製造了海洋上大部分的波浪。它的原理是這樣:風使一層水堆疊到另一層平穩的水位之上。原本在波峰(或峰頂)下的水被多出來的水往下壓,上層水的重量把波鋒下的水推開。被推開的水向外衝,在新的位置再形成另一個波峰後,使這道波浪繼續前進。
海是在一層空氣(也就是大氣層)下的一層水。因為空氣的密度比水小得多(重量比相同數量的水小1000倍),所以空氣對波浪的影響似乎很小。因此,為了瞭解波浪的原理,你將在水面上加一層油。想知道這與空氣的關係以及對水面上波浪的影響嗎?捲起袖子來試試這個令人震撼的實驗吧!
你有注意到被油覆蓋的水會產生特別慢的波浪嗎?
浪會移動是因為液體上面的波鋒有額外的重量向下壓,把波鋒底下的水推到水比較淺的地方,這在兩個瓶子裡都會發生。
以裝了水和空氣的瓶子來說,水和空氣會同時壓往深層的水。空氣的密度比水小一千倍,所以當一個波浪經過時,較深的水層會受到所有水堆積在波浪上的重量,波峰和波谷(或最低點)之間的重量差異是波的驅動力。在這種情況下,重量上的巨大差異導致了快速移動的波浪。
同理,以裝了水和油的瓶子來說,水和油會推往水的深層。就像空氣一樣,油的密度比水小(大約三分之二的密度),所以一定量的油比同樣數量的水的重量輕。因此當水在波浪中堆積時,較多的水和較少的油將壓在波峰下的某個地方。然而在波浪的最淺處,較多的油和較少的水壓在下面的水中。因此,在這種情況下,波峰下的某一點和波谷下的某一點(或波的最低點)的液體重量差異更小,所以波的驅動力也更小,儘管它仍然迫使水從波峰下移動。此外,水和比空氣重的油都要被移動,所以液體的流動相比較輕的空氣在水面上流動時要慢得多。你所觀察到的是於水面上流動速度較慢的波浪。
在延伸實驗中,你會觀察到蠟主要是上下移動,而波浪則是前後移動。這是因為在波浪中,水平移動的是波浪下的水;而表面的水則會上下移動。
你可以把染色過的水直接倒進水槽,但是裝了油的那一瓶不能直接倒進去!
把裝了水和油的瓶子立正放好,然後稍待片刻讓油水分離。挑一個容器來裝你的油(例如你剛才清空的色素水瓶)。小心的把那層油倒進乾淨的容器裡,過程中有水混進來了也沒關係,盡量把油都倒出來了就好。(有漏斗的話請使用漏斗) 你可以把有色的水往水槽倒乾淨,把那瓶用過的油蓋緊蓋子,然後丟進垃圾桶、倒進廚餘桶或上網搜尋哪裡可以捐出這些油。(廢食用油可以變成生物柴油,是一種無毒、可生物降解的燃料,可以為汽車和公共汽車提供動力,比石油基柴油產生的空氣污染物少。)