Между длинными безвихревыми гравитационными
волнами в жидкости постоянной малой глубины и волнами сжатия
в адиабатическом газе при т = 2 существует замечательная аналогия.
Длинные гравитационные волны бесконечно малой амплитуды распространяются
с постоянной скоростью с = gh
без изменения своей формы, совсем как при линеаризованном
приближении сверхзвукового течения в параграфе 10. Длинные
гравитационные волны конечной амплитуды распространяются со
скоростью vgh, которая возрастает с увеличением местной высоты
волны. Следовательно, гребень всякой длинной волны на мелководье
нагоняет впадину так, как это описано в параграфе 13, Наклон
фронта волны постепенно становится все круче, пока он не станет
вертикальным, и волна, наконец, «обрушивается» под собственной
тяжестью.
Рэлей использовал эту аналогию, чтобы качественно объяснить
превращение в «боры» приливных волн при их распространении
в устьях рек. Подобные «боры» получаются чаще всего в постепенно
сужающихся устьях со ступенчатым дном: относительная высота
приливных волн увеличивается вследствие получающейся концентрации
всей энергии волны в меньшем поперечном сечении и на меньшей
длине волны [равной произведению (12 часов) gh].
Нового математического успеха удалось добиться благодаря
замечанию Рябушинского, который указал, что формула с =
g(h
+ у), где у — локальная высота волны, соответствует выбору
= 2
в соотношении (За). Вскоре после этого Джеффри применил
идею, аналогичную идее Рэлея при исследовании разрушения
волн на отлогих отмелях. По мере того как волны переходят
на мелководье, их скорость уменьшается. Из-за этого энергия
волны сосредоточивается на более коротком участке, что еще
больше увеличивает высоту волны и ее крутизну. Если отмель
достаточно полога, гребень волны снова попадает во впадину,
образуя «бурун» прибоя.
Стокер и другие авторы пытались объяснить количественно
образование «бурунов» и «боров» при помощи вышеприведенных
соображений. Это значит, что они пытались рассматривать
эти явления в рамках рациональной гидродинамики Лагранжа.
Однако представляется сомнительным, что движение жидкости
в действительном прибое и в приливных волнах является безвихревым
настолько, чтобы такая модель была реалистичной. В настоящем
прибое и в настоящих приливных волнах всегда имеется значительная
завихренность из-за откатывания предшествующих волн («подмыв»),
из-за течения всей массы жидкости и т. д., и, возможно,
из-за «расслоения» (стратификации), вызываемого наличием
взвешенного песка. Вследствие этого реальные буруны могут
«нырять», «перекатываться» или «расплескиваться», а реальные
боры могут продвигаться в виде изолированной стены воды
или в виде ступенек. Кажется маловероятным, чтобы безвихревые
гравитационные волны давали такое разнообразие явлений.
Кроме того, следует вспомнить, что в абстрактную теорию
входят два параметра: отношение h/глубины
к длине волны и отношение h/R глубины к минимальному радиусу
кривизны поверхности R. Как показал в 1925 г. Стройк, при
любых фиксированных h и волны
достаточно малой конечной амплитуды могут распространяться
без изменения своей формы; это видимое противоречие с выводами
Рэлея и Рябушинского можно назвать парадоксом длинной волны.
Объяснение заключается в том, что построения Стройка относятся
к случаю, когда h/R сравнимо с h/,
в то время как выводы Рэлея применимы только r случаю h/<<
h/R << 1.