Hur fungerar ett vattenfall, exakt?

introduktion till Vattenfallens fysik

termodynamikens andra lag säger att saker tenderar mot ett mer oordnat tillstånd. Med tanke på det, vad är skapelse och vad är förstörelse? Är den andra lagen säger att förstörelse vinner över skapelsen? Absolut inte. Det säger att det helt enkelt finns en tendens för saker att röra sig mot ett mer oordnat tillstånd.

ett vattenfall, i mitt sinne, uppfyller alla dessa kriterier, skapande och förstörelse och termodynamikens andra lag, på en gång. Trots allt, vad är ett vattenfall? Hur skapades det och hur fungerar det verkligen? Denna artikel undersöker dessa frågor i detalj.

toppen av ett vattenfall: bara början

skapandet av ett vattenfall

ett vattenfall skapas när flodvatten eroderar den svagare jorden, berget eller sanden i sin ursprungliga bäddbädd, skjuter berget åt sidan och tillsammans med vattenflödet över tiden (i allmänhet eoner). Gradvis skapas ett dopp i floden. Förstörelse? Så småningom blev det doppet tillräckligt stort för att kallas ett ”vattenfall”: en ny skapelse.

det är sant att floden ”förstörde” sina ursprungliga gränser-dess ursprungliga bäddbädd och materialet som fanns i den. Detta är i överensstämmelse med termodynamikens andra lag-saker tenderar till ett mer oordnat tillstånd. Detta ”mer oordnade tillstånd” är emellertid i sig en skapelse enligt min åsikt.

den ursprungliga floden ”förstördes” under en stor tidsperiod, men den skapade samtidigt något vackert: vattenfallet, där vatten når en kant i sin strömbädd, faller allt detta vatten på ett till synes oordnat sätt ner ett avstånd innan det kraschar i botten och fortsätter sedan på väg i sin ”nyskapade” flodbädd.

ett vattenfall är lite som biljard

för att förstå vattenfallets fysik, betrakta vattenmolekyler som biljardbollar och slå varandra om.

när varje molekyl faller, stöter den i andra molekyler av vatten och ibland av sten/mineral, tills den når botten och träffar, med kraft beroende på avståndet från vilket det föll. Denna kraft orsakades av tyngdkraften som drog molekylen snabbt nedåt med alla resten av strömmens vattenmolekyler 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 svävade eller färdades längs i flodens övre del.

biljard och Vattenfallens fysik har mycket gemensamt

fysik finns runt omkring oss

botten av ett vattenfall verkar bara vara kaotiskt

för blotta ögat verkar botten av vattenfallet vara kaotiskt. Men vad träffar vattenmolekylen när den når botten, alla fulla av kinetisk energi som den fick från gravitation och avstånd? Den träffar andra vatten-och mineralmolekyler som nyligen har gjort samma resa över vattenfallet, också full av kinetisk energi, eller möjligen de andra föroreningarna som nämnts tidigare.

alla dessa molekyler längst ner i vattenfallet ses med blotta ögat som en roiling, bubblande massa vatten som ser lika kraftfull och farligt destruktiv/kreativ ut som den är. Varför är vattenfallets bas så kraftfull, mycket kraftfullare än den vanliga delen av strömmen? Vattenfallets bas har fått enorm kinetisk energi i sin acceleration ner från toppen av vattenfallet.

den använder denna kinetiska energi för att skapa en grop i den ”nya” strömbädden över tiden vid vattenfallets botten, eftersom den eroderar de fasta markmaterialen med större effektivitet och ger upp en del eller de flesta av dess kinetiska energi i processen.

om en viss molekyl inte direkt träffar bottenytan som innehåller vattenfallet eller kitteln, träffar den en annan molekyl, som kan träffa en annan, och så vidare-väldigt mycket som biljardspel och poolspel-tills slutligen en molekyl träffar botten, möjligen med tillräcklig kraft för att lossa en av de bosatta molekylerna i berggrunden eller vilket material som helst som ursprungligen ligger längst ner i vattenfallet.

en viss molekyl kan också, eller istället, använda sin kinetiska energi för att stöta andra vattenmolekyler helt ur strömmen, skapa den välbekanta vattendimman som de flesta av oss har känt på våra ansikten och förbannade på våra kameralinser när de står i vördnad längst ner i 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 framåt: vatten kan inte samlas för evigt i kitteln som skapats längst ner i vattenfallet, så småningom tar det slut på utrymme och energi för att stanna kvar där, och så går det vidare i den riktning som det finner lättast att gå vidare: längs flodbädden.

efter vattenfallet fortsätter floden

varför rinner floden längst ner i vattenfallet i linje med toppen av vattenfallet, även om det omgivande materialet kan vara mjukare och ett ”lättare mål” för vattenmolekylerna att erodera? Eftersom vattnet redan har stor fart i den ursprungliga riktningen, kommer det därför att tendera att fortsätta i den riktningen för ett visst avstånd efter vattenfallet, såvida inte mycket hård berggrund eller någon annan avledare gör det vilse.

ju längre bort från vattenfallet, i allmänhet lugnare vattnet växer tills de visas precis som skulle någon annan ström 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 i fallande vatten och använder den för att vända turbiner som i sin tur producerar el för omedelbar användning eller för lagring i enorma batterier.

i historisk tid användes hydraulisk kraft för att vrida ett träspaddhjul som i sin tur direkt drev ett sågverk eller kornbruk. Sådana saker kan fortfarande hittas i bruk i delar av USA i dag, antingen som historiska landmärken, reproduktioner av sådana, eller i daglig användning av spridda Amish samhällen hela delar av USA.

Yvonne den 14 januari 2020:

det här är så bra och välskrivet. Tack för det här. Fysiken bakom vattenfall har alltid verkat som mysterium för mig men det är nu helt klart. Tummen upp!

Faiq på Augusti 13, 2017:

mycket snyggt skriven artikel. Förklara fysiken bakom att jettisoned från spetsen på baksidan av en gummi kajak över roiling vatten i en 6 fötter vatten faller i upper Washington State. De andra människorna i kajaken satt bara vackra. De omgivande vyerna före min prövning var ”hisnande”, men när jag tumlade längst ner i vattenfallet trodde jag att alla mina andetag bokstavligen togs bort för alltid. Jag har en allmän uppfattning om vad som hände men skulle vilja höra din förklaring i fysiklagar som verkar på kajaken, kajakresponserna, min bana i luft och i vatten. Tack.

douglas wynn på Juli 16, 2015:

jag är en fin konstnär-visuell, mestadels och också en student av estetik. jag försöker alltid läsa, vilket hjälper till i den kreativa processen i mina verk. jag brukar göra landskap och nyligen ett vattenfall. jag har gjort dem tidigare, men har också nyligen läst en bok, ”art & physics” av l. shlain. jag blev förvånad över att se hur nära besläktad fysik och konst verkligen är. att vilja överbrygga klyftan lite mer mellan vattenfallet, min konst och fysik jag tänkte att det kan finnas något på internet för att hjälpa. tack för din information. det kommer att vara mycket praktiskt att överbrygga luckorna ännu mer. uppriktigt, doug. [email protected]

CraftytotheCore oktober 12, 2013:

LOL! : D

Laura Schneider (författare) från Minnesota, USA oktober 12, 2013:

tack, CraftytotheCore! — GeekytotheCore

CraftytotheCore på Oktober 11, 2013:

mycket intressant. Jag gillade särskilt förklaringen till varför vatten rör sig framåt. Jag gillar också alla detaljer och hur du använde biljardspelet som ett exempel.

Laura Schneider (författare) från Minnesota, USA i September 21, 2013:

du är välkommen, susi10! Tack för komplimangen! :- )

Susan W från de brittiska öarna, Europa den 21 September 2013:

detta är en mycket välskriven artikel, du har förklarat fysiken bakom ett vattenfall utmärkt, jag visste hur vattenfall bildades geografiskt men jag tänkte aldrig på den faktiska fysiken bakom den på molekylär nivå. Tack för att du skrev detta, Laura!

~ Susan W.

Laura Schneider (författare) från Minnesota, USA på April 26, 2013:

en utmärkt analys! Tack för kommentaren och för komplimangerna, lumen2light!

Neil Coulson Från Dundee, Skottland i April 26, 2013:

trevlig artikel: fysikens lagar härrör från naturliga händelser som vi sedan tillämpar på andra saker. När det gäller skapande / förstörelse, när det gäller naturen, tror jag att det inte finns någon förstörelse eftersom allt händer av en anledning. När det gäller mänskligheten skapar och förstör vi och det är mänsklig natur att tillämpa vår egen teologi på naturens arbete.