Способ определения элементов морских или иных волн

 

Класс 42с, 27

СССР № 67825

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зарееосгрнровиио в Бюро

П..Ф. Шакуров

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕН

ИЛИ ИНЫХ ВОЛН

Заявлено 2 августа 1940 г. в ГУГМС за Ме 367 (317015) Опубликовано 28 февраля 1947 года

Для наблюдения над волнами в прибрежной зоне моря и определения элементов этих волн целесообразно применять способы, которые не требовали бы использования приборов, непосредственно подвергающихся действию волн, например, буйка или рейки, так как в последнем случае не исключена возможность поломки прибора и прекращения наблюдений.

Предлагается такой способ определения элементов морских или иных волн, при применении которого отпадает необходимость установки буйков или реек.

Сущность способа состоит в том, что с берега, с некоторой высоты, волнующуюся поверхность моря рассматривают в зрительную трубу, снабженную в фокальной плоскости сеткой параллельных линий и вертикально перемещающимся индексом с той целью, чтобы по угловому повороту до совпадения направления линий сетки с гребнями волн судить о направлении и длине волны.

О высоте волны судит по величине смещения упомянутого выше индекса от линии, касательной к гребням двух смежных волн, до основания этих волн.

При опредечении всех этих элементов оптическая ось зрительной трубы наклонена к поверхности моря под постоянным углом.

На фиг. 1 и 3 изображены графические построения, поясняющие сущность предлагаемого способа; на фиг. 2 — сетка, располагаемая в фокальной плоскости зрительной трубы; на фиг. 4 и 5 — схематические виды сетки для случая измерения высоты волны; на фиг. 6 — общий вид графика для определения элементов волны по предлагаемому способу и на фиг, 7 — общий вид зрительной трубы.

Предположим, что на берегу на некоторой высоте Н над уровнем моря становлена зрительная труба с оборачивающей линзой, оптическая ось которой расположена к поверхности моря под некоторым углом (фиг 1). Поместим в плоскости изображений сетку, состоящую из ряда параллельных линий, расположенных на некотором расстоянии друг o3 друга.

Если вращать сетку или трубу вокруг оптической оси, то точки пересечения линий сетки с линией, которая проходит через оптическую ось и перпендикулярна ас линиям етки, проектируясь на поверхность иоря, опишут на этой поверхности ояд эллипсов, центры которых будут смещены по отношению друг к другу и будут находиться на линии

295 № 6782o пересечения поверхности моря с плоскостью, проходящей через оптическую ось и перпендикулярной к поверхности моря. Этот ряд эллипсов изображен на фиг. 1. Если через оптическую ось провести плоскость, перпендикулярную к вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось, то она пересечет ряд эллипсов в точках, расстояние между которыми может быть определено из следующих соображений.

Положим, что коэфициент сетки равен К и расстояние от точки расположения трубы до точки пересецения оптической оси с поверхН чостью моря равно

sin а

Тогда расстояние между этими

L точками будет равно Р= —. (i)

К

При этом очевидно, что проекции линий сетки на поверхность моря будут являться касательными к соответствующим эллипсам.

Определим направление движения волны, для чего рассмотрим весьма малый участок поверхности моря (фиг. 3).

Ввиду того, что размеры этого участка малы, лучи, идущие в глаз наблюдателя, можно считать параллельными.

Предположим, что гребень волны о расположен под углом к линии ОС, перпендикулярной к <уи ОО; тогда, вращая сетку вокруг оси

00 до тех пор, пока линия ВВ основного деления сетки (фиг, 2) не расположится параллельно гребню проходящей волны, найдем, что сетка окажется повернутой на некоторый угол относительно горизонтального положения основной линии ВВ. От угла и будем вести отсчет углов поворота сетки как по часовой стрелке, так и в противоположном направлении в пределах от О до 90 .

Зависимость гла, от углов х и найдется из следующих равенств (фиг. 3):

ah, gb, — 1Kl =10 "1

bio b, О, 296

a,b, — =з1па, b,g отсюда у= агсФд „- (2)

tg)

Поскольку величина угла не зависит от длины сторон, то выведенная формула будет применима не только к малому участку поверхности воды (к малому эллипсу), но и к большому участку (к большому эллипсу) .

Для удобства расчетов может быть составлена таблица различных значений углов;. вычисленных по приведенной формуле.

Как видно, угол; определяет положение фронта волны. Полагая, что линия Od пересечения поверхности моря и вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось, ориентирована относительно стран света, и принимая во внимание, что направление движения волны всегда перпендикулярно фронту волны, найдем, что тот же угол ",. составленный перпендикуляром Of к фронту волны и линией Od, дает направление движения волны, выражаемое в градусах.

Расстояние между двумя любыми точками как на эллипсах, так и между ними можно достаточно точно определить, как только будет известно какое-нибудь расстояние в этой системе, причем самым удобным оказывается расстояние, определяемое величиной P (см. уравнение 1).

Для численного определения элементов волны должен быть начерчен график, состоящий из ряда эллипсов в их взаимном положении, для чего, в свою очередь, необходимо знать размеры больших и малых их осей, а равно и взаимное смещение центров эллипсов различной величины.

Автором разработаны два способа определения этих величин и построения графика: аналитический и графический, График изображен в левой части фиг. 6.

Однако полученный таким способом график, состоящий из ряда неконцентрических эллипсов с разными эксцентриситетами, еще не мо№ 67825 жет служить для определения всех элементов волны. Поэтому к графику эллипсов прилагается таблица углов и;, соответственно рассчитанных, и, кроме того, углы вычерчиваются на графике.

Для составления указанных таблиц углу придают в уравнении (1) значения, кратные какой-нибудь величине угла, например 0, 5, 10 и т. д. до 90, и записывают эти величины в таблицу в колонку 3, а соответственно получаемые (но не кратные) значения угла записывают в таблицу в колонку .

Для лучшего уяснения пользования графиком рассмотрим способ определения длины волны более подробно.

Как указывалось выше, расстояние между точками 0 и 1, 1 и 2 и т. д. (фиг. 6) определяется величиL ной Р=:, которая становится из-

К вестной после установки зрительной трубы.

1 ци правильном волнении система вднн на этом графике изобразится рядом параллельных линий.

Следовательно определение длины волны будет состоять в фиксировании положения двух гребней волн, т. е. двух параллельных линий.

Условимся, что,все деления, ко торые находятся внизу по отношению к горизонтальной линии bb, будут иметь знак минус, а те, которые, находятся вверху, знак плюс. Возьмем простой случай, когда волна движется прямо на наблюдателя.

Тогда ясно, что основная линия сет ки, расположенная вдоль фронта волны, займет горизонтальное положение И Если волна некоторой длины коснется своим гребнем проекции основной линии сетки, то положение соседнего, ближайшего к наблюдателю, гребня будет характеризоваться отрицательным числом, например, — 6, если вершина волны будет находиться в точке g.

Очевидно, что положение соседнего, но более удаленного гребня в этом случае будет характеризоваться числом + 4,8, так как Og должно быть равно Од .

Наблюдатель в этом случае увидит, что ближайший гребень (вершина) коснется проекции деления вЂ, а более удаленный — проекции точки +4,8. В таком случае длина волны будет равна Og = Оф. Дня численного же определения достаточно знать, сколько раз отрезок

0,1 или 1,2, каждый из которых равен Р, укладывается в отрезке О0, или Og; найденное число умногкить на Р.

297

В случае, когда волна не движется прямо на наблюдателя при совмещении фронта волны с основной линией сетки, она окажется под некоторым углом к линии И, а фронт волны будет расположен под углом у к линии bb.

Вследствие того что отсчет делений на сетке ведется в направлении, перпендикулярном к основной линии, направление отсчета составит с линией bb угол 90 — ", являющийся дополнением до 90 угла, а проекция направления отсчета на поверхность воды найдется по этому дополнению по таблице или уравнению (1).

Угол поворота сетки при этом отсчитывается от линии до 90 как по часовой стрелке, так и против нее, и притом только вверх от линии bb

Если же угол 3 будет находиться во II квадранте, то отсчет будет производиться в I квадранте.

Точка сетки или проекции на поверхность воды будет называться соответственно центром сетки и центром графика. Обусловивши эти обозначения, легко определить длину волны. Для этого сетку поворачивают до тех пор, пока ее основное деление не совпадает с вершиной волны. По углу поворота находят (по таблице) истинное положение гребня волны. Затем определяют, на каком расстоянии, выраженном в делениях сетки, находится второй гребень волны, считая от основной линии. После этого по направлению отсчета на сетке, характеризуемому углом 90 — 3, находят направление отсчета на графике по таблице углов 3.

¹ 67825

В этом направлении и отсчитывают от центра графика найденное количество делений, но не их длину, так как в разных направлениях длина или цена деления разная.

В результате как на сетке, так и на графике получается точка, положение которой определяется, вопервых, углом на сетке и углом на графике, которые отсчитыFBIoTcH от основной линки сетки и графика; во-вторых, длиной делений на сетке и на графике. Здесь основная линия служит полярной осью, угол поворота сетки или на графике является полярным углом, а длина делений является радиусом-вектором.

Через найденную точку следует провести линию, параллельную гребню волны, и измерить это расстояние или расстояние от этой точки до линии, параллельной гребню вол ны. Полученное расстояние и есть длина волны.

Зрительная труба, используемая для измерения элементов волны, установлена в широком кольце с градусными делениями, сидящем на выступе Е, поворотной шайбы,, входящей в прорез стойки В и имеющей возможность поворачиваться в вертикальной плоскости на оси Г. Стойка В установлена на станине на вертикальной оси, вследствие чего труба может поворачиваться также и в горизонтальной плоскости, На станине имеется уровень.

Труба в кольце может вращаться вокруг своей оптической оси. В фокальной плоскости трубы установлена сетка. Труба, как указывалось в начале описания, снабжена индексом, выполненным в виде небольшого винта И с большим шагом, на конце которого помещается тонкий стерженек из стали или из стекла. Этот стерженек расположен рядом с сеткой в одной фокальной плоскости, так что и стерженек, и сегка видны одновременно (фиг. 4).

При повороте трубы на некоторый угол индекс также изменит свой угол наклона. Для придания индексу вертикального положения

298 служит ползун, на котором он укрепляется.

На,корпусе самой трубы предусмотрен указатель И1 градусов поворота, причем, когда он находится на нулевом делении, деления сетки горизонтальны.

Пользуются прибором следующим образом.

Для определения направления движения волны ставят основную линию сетки параллельно фронту волны и находят угол поворота сетки, указываемый индексом. По найденному углу, пользуясь таблицей, находят направление движения волны, выраженное в градусах.

Для определения длины волны, не изменяя угла поворота сетки, который был найден при определении направления движения волны (при недлинных волнах), замечают, на каком делении (с указанием знака) находится второй гребень волны, когда первый гребень находится на основной линии сетки.

Обращаясь к табличке и зная угол, дополняющий угол поворота сетки до 90, находят направление, по которому на графике отсчитывают количество делений, учитывая при этом знак. Таким способом находят точку, которая была на вершине волны.

Затем измеряют циркулем расстояние между этой точкой и линией фронта волны, проходящей через центр О графика.

Для измерения расстояний, во избежание пересчетов, удобнее пользоваться заранее приготовленной шкалой, помещенной внизу графика.

Когда волна имеет большую длину и нв умещается в половине сетки, замечают одновременно, на каких делениях и с каким знаком располагаются два наблюдаемых гребня. Сетка предварительно должна быть установлена так, чтобы вершины волн были всегда параллельны проекции основной линии.

Затем определяют расстояния полученных точек до линии, изображающей положение фронта волны, являющейся проекцией основной ли_#_ 67825

Фиг 1

999 нии. Сумма этих расстояний дает длину волны.

Далее, не изменяя угла поворота сетки, замечают по секундомеру время, в течение которого вершина волны переместится из одной точки в другую. Измеряют расстояние между этими двумя положениями вершины волны по способу, указанному для определения длины волны.

Найденное расстояние делят на протекшее время и получают скорость волны.

Для определения высоты волны находят угол, который является дополнением до 90 угла, определяющего положение фронта, т. е. находят 90 —; .

Зная этот угол, по таблице находят значение в колонке

Устанавливают трубу так, чтобы указатель И1 показывал угол 8.

Как только вершина волны коснется центра сетки, начинают опускать индекс и вращают винт так, чтобы его основание есе время касалось поверхности волны; когда через рейку будет проходить подошва (основание) волны (фиг. 5), опускание индекса прекращают. Индекс можно также выдвинуть заранее, подобрав соответственно его длину.

Затем поворачивают сетку в горизонтальнов положение и по ней измеряют длину выдвинутого индекса„после чего высота волны на2,, Н„ ходится по формуле: h=

sin 2а где и — число делений сетки, полученное в результате измерения индекса.

Для определения периода волн измеряют промеЖуток времени, в течение которого через какую-нибудь точку сетки проходят последовательно одиннадцать гребней волны, и определяют период по

t формуле:T =- -, .

1I>

Предмет изобретения

Способ определения элементов морских или иных волн, о тл и ч аю шийся тем, что волнующуюся поверхность рассматривают в зрительную трубу, снабженную в фокальной плоскости сеткой параллельных линий и вертикально перемещающимся индексом, с тем чтобы по углу поворота до совпадения направления линий сетки с гребнями волн судить о направлении и длине волны, а по величине смещения упомянутого индекса от линии, касательной к гребням двух смежных волн, до их основания— о высоте волны. № 67825

Фиг. 3

Фиг. 2

Фиг. 4

Фиг 6

Фиг. 7

Y** а ее

Хкб

Глб

TB

Е 5 10 15 20 25 30

Редактор А, В. Уткин

Отв. редактор A. Н, Пгнасенко.

Л26007 Подписано к печати 1/V 1949 г. Тираж 500 экз. Пена 66 к. Зак. 13

Тип. «Московский печатник».

300