При сильном ветре дождь летит наклонно потому, что капли одновременно падают вниз под действием тяжести и переносятся движущимся воздухом в сторону. Для наблюдателя на земле эти два движения складываются в одну наклонную траекторию. Её направление зависит от скорости ветра, размера капель и движения самого наблюдателя. Мелкую морось воздушный поток обычно отклоняет заметнее, чем крупные быстро падающие капли.
Почему капля не падает всё быстрее
Сила тяжести ускоряет каплю вниз, но воздух оказывает сопротивление её движению. По мере увеличения скорости сопротивление возрастает. В достаточно спокойном воздухе устанавливается режим, при котором эти действия почти уравновешиваются, и капля продолжает падать примерно с постоянной предельной скоростью.
Эта скорость не одинакова для всех капель. Мелкие имеют большую площадь поверхности по отношению к массе, поэтому сопротивление воздуха сильнее ограничивает их падение. Более крупные обычно падают быстрее. Однако зависимость нельзя бесконечно продолжать: большие капли деформируются, колеблются и могут распадаться на части.
Кроме того, сам воздух способен двигаться вверх или вниз. Восходящий поток замедляет падение относительно земли, а иногда временно удерживает капли. Поэтому выражение «скорость падения дождя» без уточнения условий не обозначает одно постоянное число. Для простого объяснения наклонного дождя достаточно сначала представить горизонтальный ветер без сильных вертикальных движений.
Как воздух сообщает движение в сторону
Ветер действует на каплю через сопротивление, связанное с её скоростью относительно воздуха. Если воздух движется вправо, а капля пока почти не имеет горизонтальной скорости, поток действует на неё сбоку. Капля постепенно разгоняется в том же направлении. Ей не нужно иметь крыло или плоскую поверхность, чтобы реагировать на ветер.
Со временем горизонтальная скорость капли может приблизиться к скорости окружающего воздуха. Это не происходит строго мгновенно: у воды есть масса и инерция. После резкого изменения ветра капля некоторое время приспосабливается к новому потоку. Мелкие и крупные капли делают это неодинаково, что усложняет картину в порывистую погоду.
Движение воздуха переносит не только дождь. Оно объясняет и то, почему облака быстро перемещаются по небу. Но облачные капельки значительно мельче обычных дождевых, поэтому их относительное падение гораздо медленнее. Видимое движение облака нельзя напрямую принять за траекторию капель возле поверхности земли.
От чего зависит угол наклона
Представим, что за одну секунду капля опускается на четыре метра и одновременно перемещается на четыре метра вправо. В этой условной модели её путь наклонён к вертикали на сорок пять градусов. Если боковое перемещение уменьшается вдвое при том же падении, траектория становится более вертикальной.
Значит, угол определяется отношением горизонтальной и вертикальной скоростей. Само по себе выражение «сильный ветер» ещё не задаёт угол: капли разного размера имеют разную скорость падения. При одном и том же воздушном потоке медленно опускающаяся морось может выглядеть почти горизонтальной, а крупные капли сохранят заметную вертикальную составляющую.
Числа в примере служат только иллюстрацией сложения движений. В реальной погоде скорость меняется по высоте и во времени. Капля может попадать в порывы, испаряться, сталкиваться с другими каплями или распадаться. Поэтому настоящая траектория не обязана быть идеально прямой линией на всём пути от облака.
Почему возле дома дождь ведёт себя иначе
Здание отклоняет воздушный поток. Возле углов, над крышей и за препятствием возникают ускорения, завихрения и защищённые участки. Поэтому дождь с одной стороны дома может ударять в окно, а с другой падать сравнительно спокойно. Разница не требует существования двух разных дождевых облаков над соседними окнами.
Капли также сохраняют часть прежнего движения, когда воздух уже изменил направление. Из-за этого их путь возле препятствия не всегда точно повторяет направление потока. Иногда вода попадает под край навеса: капля успевает пройти в сторону прежде, чем достигнет земли. Особенно заметно это при сильных порывах и небольшой высоте навеса.
По той же причине вертикальная стена может намокать, хотя дождь падает сверху. Горизонтальная составляющая движения направляет воду к стене. Укрытие, защищающее только верх, при косом дожде оказывается недостаточным. Нагрузка ветра на сам зонт имеет другую механику: поток создаёт перепад давления, из-за которого купол может вывернуться наизнанку.
Почему дождь наклоняется для бегущего человека
Даже при безветрии дождь кажется направленным навстречу человеку, который быстро движется. Относительно земли капля может падать почти вертикально, но относительно бегущего наблюдателя она одновременно смещается назад. Это пример относительного движения, а не признак того, что человек создал сильный встречный ветер для всего дождя.
Из окна движущегося автомобиля эффект заметен особенно хорошо. Видимые полосы получают большой наклон, связанный со скоростью машины. Однако вода, уже попавшая на стекло, движется по нему под действием других сил: тяжести, воздушного потока, сцепления с поверхностью и работы дворников. Следы на стекле нельзя считать точной записью полёта свободных капель.
Если наблюдатель идёт по направлению ветра, относительная боковая скорость дождя может уменьшаться. Если идёт против него, увеличиваться. Поэтому два человека, движущиеся в разные стороны по одной улице, воспринимают направление осадков по-разному, хотя погодные условия вокруг них практически одинаковы.
Что показывают дождевые полосы
На фотографии капля часто выглядит вытянутой чертой, потому что за время выдержки успевает переместиться. Черта показывает направление движения в этот короткий промежуток, а не настоящую форму капли. Небольшие капли близки к округлым, более крупные деформируются воздухом; привычный рисунок с острым хвостиком тоже условен.
Наклон дождя поэтому полезно понимать как результат нескольких движений, наблюдаемых из определённой точки. Тяжесть обеспечивает падение, воздушный поток сообщает боковую скорость, а перемещение человека меняет видимую картину. Для объяснения не нужно предполагать, что ветер поворачивает саму силу тяжести: вниз и в сторону капля движется одновременно.
