Kontakta författare

Introduktion till fysik av vattenfall

Den andra lagen om termodynamik säger att saker tenderar mot ett mer oroligt tillstånd. Med tanke på det, vad är skapelse och vad är förstörelse? Säger den andra lagen att förstörelse vinner över skapelsen? Absolut inte. Det säger att det helt enkelt finns en tendens att saker rör sig mot ett mer oroligt tillstånd.

Ett vattenfall uppfyller enligt min mening alla dessa kriterier, skapande och förstörelse och termodynamikens andra lag på en gång. Vad är ju ett vattenfall? Hur skapades det och hur fungerar det egentligen? Den här artikeln granskar dessa frågor i detalj.

Toppen av ett vattenfall: bara början

Toppen av ett vattenfall |

Skapandet av ett vattenfall

Ett vattenfall skapas när flodvatten eroderar den svagare jorden, berget eller sanden i dess ursprungliga strömbädd, och skjuter berget åt sidan och tillsammans med vattenflödet över tid (vanligtvis eons). Gradvis skapas ett dopp i floden. Förstörelse? Så småningom blev detta dopp tillräckligt betydande för att kunna kallas ett "vattenfall": en ny skapelse.

Det är sant att floden "förstörde" sina ursprungliga gränser - sin ursprungliga strömbädd och det material som fanns i den. Detta är i överensstämmelse med termodynamikens andra lag - saker tenderar till ett mer ostört tillstånd. Detta "mer oroliga tillstånd" är dock i sig en skapelse enligt min åsikt.

Den ursprungliga floden "förstördes" under en stor tidsperiod, men den skapade samtidigt något vackert: vattenfallet, där vattnet når en kant i sin strömbädd, då faller allt detta vatten på ett till synes obehagligt sätt längre bort innan det kraschar in botten och fortsätter sedan på sin "nyskapade" flodbädd.

Ett vattenfall är lite som biljard

För att förstå vattenfallets fysik, anser att vattenmolekyler är som biljardbollar och slår varandra.

När varje molekyl faller, stöter den i andra molekyler av vatten och ibland av berg / mineral, tills den når botten och träffar, med kraft beroende på avståndet från vilken den föll. Denna kraft orsakades av att tyngdekraften drog molekylen snabbt nedåt med alla resten av strömmens molekyler med vatten och vissa föroreningar. Föroreningar kan vara mineraler som eroderas av strömmen, kanske till och med bitar av sand, trä eller löv eller annan vegetation, eller mänsklighetens kull som flyter eller färdades längs den övre delen av floden.

Biljard och vattenfallens fysik har mycket gemensamt

Fysik är allt omkring oss

Fysik är inte svår att förstå om du tänker på det i vanliga termer och relaterar till det du redan förstår väl. |

Botten på ett vattenfall verkar bara vara kaotiskt

För det blotta ögat verkar vattenfallets botten vara kaotiskt. Men vad träffar vattenmolekylen när den når botten, all full av kinetisk energi som den fick från gravitation och avstånd? Den träffar andra vatten- och mineralmolekyler som nyligen har gjort samma resa över vattenfallet, även full av kinetisk energi, eller eventuellt andra föroreningar som nämnts tidigare.

Alla dessa molekyler i botten av vattenfallet ses, med det blotta ögat, som en roiling, bubblande massa vatten som ser lika kraftfull och farligt förstörande / kreativ ut som den är. Varför är vattenfallets bas så mycket kraftfull, mycket kraftfullare än den vanliga delen av bäcken? Vattenfallets bas har vunnit enorm kinetisk energi i dess acceleration ner från toppen av vattenfallet.

Den använder den kinetiska energin för att skapa en grop i den "nya" strömbädden över tid vid botten av vattenfallet, eftersom den eroderar de fasta markmaterialen med större effektivitet, vilket ger upp någon eller merparten av sin kinetiska energi under processen .

Om en viss molekyl inte direkt träffar bottenytan som innehåller vattenfallet, eller kitteln, så träffar den en annan molekyl, som kan träffa en annan, och så vidare - mycket som biljardspel och pool - tills en molekyl slutligen träffar botten, eventuellt med tillräckligt med kraft för att lossa en av de bosatta molekylerna i berggrunden eller vad som helst material som ursprungligen finns i botten av vattenfallet

En viss molekyl kan också, eller i stället, använda sin kinetiska energi för att stöta andra vattenmolekyler helt ur strömmen, skapa den bekanta vattenmist som de flesta av oss har känt på våra ansikten och förbannat på våra kameralinser när vi står i vördnad i botten av vattenfallet. Detta skulle likna en biljardboll som av misstag skjutits helt från bordet - en något sällsynt händelse.

Ett annat sätt på vilket vattenmolekylen kan använda sin energi är att driva de tidigare fallna vattenmolekylerna nedströms snabbare, varför vattnet rör sig vidare: vatten kan inte samlas för evigt i den kittel som skapas vid botten av vattenfallet, så småningom rinner det ut av utrymme och energi för att förbli där, och så går det vidare i den riktning som det är lättast att fortsätta i: längs flodbädden.

Vattenfallets ljud: Molekyler som kolliderar hårt

Har du någonsin studerat fysik eller läst en bok om den?

  • Ja
  • Nej
Se resultat

Hjälpte den här artikeln dig att förstå att fysik är en viktig del av vår vardag?

  • Ja (eller jag visste redan denna information)
  • Något
  • Nej
Se resultat

Har du en god förståelse för vattenfallens fysik efter att ha läst den här artikeln?

  • Ja, den här artikeln gjorde det lätt att förstå grunderna; eller jag förstod redan denna information
  • Något
  • Nej, jag är fortfarande riktigt förvirrad
Se resultat

Efter vattenfallet fortsätter floden

Varför går floden längst ner i vattenfallet i linje med toppen av vattenfallet, även om det omgivande materialet kan vara mjukare och ett "enklare mål" för att vattenmolekylerna ska eroderas? Eftersom vattnet redan har stor fart i den ursprungliga riktningen, kommer det därför att ha en tendens att fortsätta i den riktningen ett visst avstånd efter vattenfallet, såvida inte mycket hård berggrund eller någon annan diverter gör det på vilse.

Ju längre bort från vattenfallet, i allmänhet blir de lugnare vattnen tills de ser ut precis som alla andra strömmar med tanke på djupet och bredden av det med avseende på vattenflödet.

Några ord om vattenkraft

Ett typiskt modernt vattenkraftverk fungerar på grund av samma fysik som vi diskuterade ovan. Den skördar en del av den otroliga energin från fallande vatten och använder den för att vrida turbiner som i sin tur producerar el för omedelbar användning eller för förvaring i enorma batterier.

Under historiska tider användes hydraulkraft för att vrida ett träskovelhjul som i sin tur direkt drev ett sågverk eller kornbruk. Sådana saker kan fortfarande finnas i användning i delar av Förenta staterna idag, antingen som historiska landmärken, reproduktioner av sådant, eller i daglig användning av spridda Amish-samhällen i delar av USA.