鴨子游過後的水波,為什麼總是呈八字形展開?
― 展開的角度,即使速度改變,仍維持在約39度
池塘裡的鴨子、船隻、掉進水裡的樹枝,只要是邊移動邊在水面前進的東西,身後都會留下形狀相同的八字形水波。而且,展開的程度幾乎不變。照理說移動越快,水波應該展開得越大,但事實並非如此。這個「總是同一個角度」的背後,藏著水面波一個有點不可思議的性質。
公園的池塘裡,一隻鴨子正緩緩游著。牠身後的水面上,留下一道長長的漂亮八字形水痕。
一旁,一艘更大的船隻咻地橫越而過。船的後方也同樣拖著八字形的水波。雖然大小完全不同,但展開的程度卻十分相似。
如果小孩問你「為什麼大家的形狀都一樣?」,你會怎麼回答呢?其實,這正是水面波的機制如實呈現在眼前的結果。
通往答案的線索,只有兩個
鴨子每推動一次水面,就會從那個位置擴散出一圈圓形的波紋。鴨子前進的過程中,這樣的圓圈會接連產生,並各自逐漸變大。留下的水痕,正是許多圓圈重疊而成的結果。
在深水上,波峰前進的速度,和整個波群前進的速度是不同的。波群的速度剛好是波峰速度的一半。這個「一半」的比例,正是決定角度的關鍵。
我們先來看第一點。
身後的水痕,是「圓圈的重疊」形成的
當某個東西在水面前進時,牠所經過的每一個點,都會擴散出一圈圓形的波紋。可以想像成,把丟石頭到池塘時產生的那種圓圈,沿著前進的路徑連續不斷地產生。
越舊的圓圈長得越大,越新的圓圈則還很小。當大小不同的圓圈整齊排列時,它們外側的邊緣會對齊,看起來就像一條筆直的線。這正是八字形外側邊緣的真面目。
聲音與飛機的衝擊波,也是依循類似的原理,形成圓錐形的波面。不過在水面的情況下,第二個線索會在此發揮作用,產生出乎意料的結果。
「一半的速度」,讓角度固定下來
仔細觀察池塘裡的波紋,會發現在一個圓圈之中,只有波峰的花紋朝前方穿越而去。波紋花紋前進的速度,和波所攜帶能量前進的速度,其實是不同的東西。
在深水上的波,波群的速度恰好是花紋速度的一半。也就是說,剛產生的圓圈,其「內容」只能前進圓圈邊緣距離的一半。
正因為這個一半的比例,把所有圓圈能到達的範圍全部重疊起來的外形,就會與前進速度無關,維持同樣的形狀。因為速度越快的物體,只是採用波長越長的波而已,比例本身並不會改變。角度單側約為19.5度,整體約為39度(圖1)。
這個39度角的說法,是在水深相對於波長足夠深的前提下成立的。在淺池中,波的速度由水深決定,角度會變得更寬。此外,當前進速度非常慢時,靠水面表面張力傳遞的細小波紋也會出現在前方,可能會在圓圈外側看到另一道水痕。
總結
八字形並不是鴨子刻意造成的。而是水面波「波群只能以花紋速度一半的速度前進」這項規律,直接呈現在眼前的樣貌。所以,不論對方體型是大是小、速度是快是慢,角度都會相同。
決定形狀的不是移動的物體,而是水本身。
所以鴨子和船隻,都會留下相同的八字形水波。
關於水面波本身,請參閱把石頭丟進池塘,為什麼會展開圓形的水波?;關於波浪崩潰的極限,也請參閱海浪最高能高到什麼程度?。
- 在浴缸或洗臉盆裡裝水,只伸入一根手指,以緩慢且穩定的速度橫向移動。身後就會出現八字形的水痕。
- 用大約兩倍的速度再試一次。水波會變大,但八字形展開的程度幾乎不變。
- 在池塘或河邊看到鴨子或水鳥時,用手機拍下水痕展開的樣子,再用量角器或紙張的角在畫面上量量看。如果接近40度,就成功了。
在水邊觀察時請留意腳下安全,不要從岸邊伸手去碰水。
想了解更多 ― 術語、數學式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科所學範圍
- 高中高中「物理基礎.物理」所學範圍
- 高中+高中進階內容,或教科書專欄等級的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(流體力學.波動論)的內容
- 研究即使在大學也還不是「定論」,而是研究者目前正在探究中的內容
國中術語:這個現象是有名字的
- 航跡(尾波):在水面前進的物體身後所留下的波紋,包含向外展開成八字形的部分,以及內側與前進方向垂直排列的部分。
- 凱爾文角:航跡外側邊緣與前進路徑所形成的角度。單側約19.5度,整體約39度。
- 群速度:波群,也就是能量傳遞的速度。與花紋前進的速度(相速度)是不同的量。
國中高中用數學式驗證:展開角與10秒後水波的寬度
先建立決定角度的公式,接著計算鴨子游10秒後,水波會向兩側展開多少距離。
| 用符號表示 | cg = c ÷ 2 (此時 sinθ = 1 ÷ 3) |
| 用文字表示 | 「波群速度 = 花紋速度 ÷ 2」,此時「外側邊緣角度的正弦值 = 1 ÷ 3」 |
| 符號的意義 | cg:波群前進的速度(群速度,單位為公尺/秒)/c:花紋前進的速度(相速度,同單位)/θ:外側邊緣與前進路徑所形成的角度(單位為度) |
| 公式的由來 | 深水波中,波群前進的速度恰好是花紋速度的一半(群速度=相速度的一半),由此推導而來。因為角度只由「一半」這個比例決定,所以前進速度不會出現在公式裡。 |
| 波群速度與花紋速度的比值 | 0.5(深水波的情況) |
| 正弦值為0.333時的角度 | 約為19.5度 |
| 19.5度的正切值 | 約為0.354 |
| 鴨子游泳的速度 | 每秒0.5公尺(緩慢游泳時) |
| 先算出公式右邊的數值 | 1 ÷ 3 ≒ 0.333 |
| 兩側合計的展開角(度) | 19.5 × 2 = 39 |
| 10秒前進的距離(公尺) | 0.5 × 10 = 5 |
| 單側的展開幅度(公尺) | 5 × 0.354 ≒ 1.77 |
| 兩側合計的寬度(公尺) | 1.77 × 2 ≒ 3.54 |
③ 換算成實際感受:短短10秒,水波的痕跡就會展開到大約一輛小型汽車的寬度。鴨子的體型大小,完全不會出現在決定角度的公式裡。所以,即使換成船隻,展開角依然會是39度。
高中高中+為什麼速度會從公式中消失?
高中高中會學到波速、波長、頻率的關係,以及干涉現象中「波的疊加」。航跡可以視為,沿著前進路徑連續產生的圓圈相互疊加而成的結果。
高中+在深水波中,波長越長,前進速度越快。這稱為色散,而速度與波長的關係則稱為色散關係。前進物體速度越快,主要激發出的波波長就越長,但群速度與相速度的比值,不論波長為何,始終維持在二分之一。由於角度只由這個比值決定,所以速度會從公式中消失。
大學凱爾文的定相位分析
在大學的流體力學.波動論中,這個八字形被稱為凱爾文航跡(凱爾文波形),可利用深水波的色散關係與定相位法推導出來。在表示水面形狀的積分式中,只有相位固定不變的方向,才會殘留在觀測點上——依循這樣的想法,可以算出外側邊緣單側約為19.47度。內側的弓形波紋稱為橫波系統,外側排列的細小水痕則稱為發散波系統,兩者會在外側邊緣上匯合。
📖 公式推導與更深入的內容:重力波 (流體力學) / Wake (physics)
研究目前尚未完全釐清的部分
- 對象速度非常快時,角度看起來會變窄。 在高速船艇或人造衛星影像中,曾有外側邊緣拍攝出比39度更窄的案例,究竟是視覺上的效果,還是另有其他機制,在2010年代持續有所討論。
- 游泳生物的能量收支。 水鳥為了造成航跡所消耗的力量,佔整體游泳力量的比例究竟有多少,會因物種與體型而異,目前測量案例仍然有限。
- 淺水處或有水流處的形狀。 在有河流水流或水深變化的水面上,航跡會產生扭曲。從實際河流中的形狀反推水深或流速的嘗試,至今仍是研究的對象。
也就是說,本文的內容也是「目前已知範圍內」的說明。請把它視為深水、平靜水面等條件齊備時,最理想形狀的說法。
與教科書的關聯(依程度分類)
| 程度 | 科目.單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科.聲音與光/波的傳遞方式 | 圓形波紋擴散的說明 |
| 高中 | 物理.波/疊加與干涉 | 圓圈疊加形成外側邊緣的說明 |
| 高中+ | 物理進階.色散與群速度 | 速度從公式中消失的原因 |
| 大學 | 流體力學.水波理論 | 凱爾文航跡與定相位法 |
| 研究 | 海洋工程.生物流體力學 | 對象速度快時看起來的角度、生物的能量收支 |
| ― | 與生活的關聯 | 池塘或河邊看到的水波形狀、船隻帶到岸邊的波浪 |
- 日文維基百科「重力波 (流體力學)」(水面波的色散關係與群速度)
- 英文維基百科「Wake (physics)」(航跡的形狀與凱爾文角)
- 賀拉斯.蘭姆《流體力學》(水面波章節。深水波相速度與群速度的關係)
- 詹姆斯.萊特希爾《波動物理學》(含色散波與定相位法的解說)
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為理解原理所用的參考概算。在水邊觀察時,請遠離岸邊、留意腳下安全,並遵守相關設施或地方政府的公告與指示。