Элементы волн. Волны морские По действию силы после образования волны

Волны морские

Во́лны морские

периодические колебания поверхности моря или океана, обусловленные возвратно-колебательными или круговыми движениями воды. В зависимости от причин, вызывающих движение, различаются волны ветровые, приливные (приливы и отливы ), барические (сейши) и сейсмические (цунами ). Волны характеризуются высотой , равной расстоянию по вертикали между гребнем и подошвой волны, длиной – расстоянием по горизонтали между двумя смежными гребнями, скоростью распространения и периодом . У ветровых волн он длится ок. 30 с, у барических и сейсмических – от нескольких минут до нескольких часов, у приливных измеряется часами.

В водоёмах наиболее распространены ветровые волны. Они образуются и развиваются благодаря энергии ветра, передаваемой воде за счёт трения и путём давления воздушного потока на склоны гребней волн. Они всегда существуют в открытом океане и могут иметь самые разнообразные размеры, достигая дл. до 400 м, выс. 12–13 м и скорости распространения 14–15 м/с. Макс. зарегистрированная выс. ветровых волн составляет 25–26 м, возможно существование и более высоких волн. В начальной стадии развития ветровые волны бегут параллельными рядами, которые затем распадаются на обособленные гребни. На глубоководье размеры и характер волн определяются скоростью ветра, продолжительностью его действия и расстоянием от подветренного пространства; малые глубины ограничивают рост волн. Если ветер, вызвавший волнение, стихает, то ветровые волны превращаются в т. н. зыбь. Она часто наблюдается одновременно с ветровыми волнами, при этом не всегда совпадая с ними по направлению и высоте.

В зоне прибоя наблюдаются т. н. прибойные биения – периодические подъёмы уровня воды при подходе группы высоких волн. Выс. подъёма может составлять от 10 см до 2 м, редко до 2,5 м. Сейши обычно наблюдаются в ограниченных водоёмах (морях, заливах, проливах, озёрах) и представляют собой стоячие волны, вызванные чаще всего быстрым изменением атм. давления, реже иными причинами (резкое поступление паводковых вод, сильные дожди и проч.). Однажды вызванная деформация уровня воды приводит к постепенно затухающим колебаниям в ней. При этом в некоторых точках уровень воды остаётся постоянным – это т. н. узлы стоячей волны. Выс. таких волн незначительна – обычно несколько десятков сантиметров, редко до 1–2 м.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн . Под редакцией проф. А. П. Горкина . 2006 .

Смотреть что такое "волны морские" в других словарях:

Возмущения поверхности моря или океана, вызываемые ветром, приливообразующими силами Луны, Солнца, подводными землетрясениями и др. Подразделяются на ветровые, приливные, гравитационные (цунами) и др. Волны на поверхности водной среды существуют… … Морской словарь

Волны на поверхности моря или океана. Благодаря большой подвижности частицы воды под действием разного рода сил легко выходят из состояния равновесия и совершают колебательные движения. Причинами, вызывающими появление волн, являются… …

ВОЛНЫ морские - колебания частиц воды около положения равновесия, распространяющиеся в море. Вызываются ветром, приливообразующими силами, изменением атмосферного давления, землетрясениями, движением твердых тел в воде и др. Основные элементы волнового движения… … Морской энциклопедический справочник

Волны, возникающие и распространяющиеся по свободной поверхности жидкости или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. В. на п. ж. образуются под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность жидкости… … Большая советская энциклопедия

Возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. Наиболее часто встречаются упругие волны (морские, звуковые и т. п.). Электромагнитные волны возбуждаются атомами, молекулами,… … Морской словарь

Sea Waves Жанр документальный фильм Режиссёр {{{Режиссёр}}} Кинокомпания Эдисон … Википедия

ВОЛНЫ - Увидеть во сне волны – к препятствиям в делах, усилиям и борьбе за успех. Если волны чистые, значит, вы обретете новые знания, которые помогут вам лучше определиться в жизни. Грязные волны предвещают ошибку, чреватую непоправимыми… … Сонник Мельникова

Тёмная крачка (Onychoprion fuscata) способна продержаться в воздухе 3 10 лет, лишь иногда опускаясь на воду … Википедия

Фотография большой волны, надвигающейся на торговое судно. Приблизительно 1940 е годы Волны убийцы (Блуждающие волны, волны монстры, белая волна, англ. rogue wave в … Википедия

Эта страница глоссарий. # А … Википедия

Книги

• Морские рассказы , Гусева Галина. Морская романтика всегда привлекала людей Так много таит в себе вечная водная стихия, так хочется покорять волны одна за одной. Уникальный дневник заядлого любителя путешествий на яхте -…

Волнение сопровождается перемещением водных масс. Движение частиц воды при волнении происходит по незамкнутым орбитам и представляет собой сложный для теоретического описания случайный неупорядоченный процесс, зависящий от многих факторов.

Основные элементы морских ветровых волн следующие: высота h - расстояние по вертикали от впадины волны до гребня; длина X - горизонтальное расстояние между двумя последовательно расположенными гребнями или впадинами; период Т, - интервал времени между прохождением вершин двух последовательно идущих волн через фиксированную вертикаль.

Высота морских ветровых волн уменьшается по мере движения от поверхности к дну моря. Согласно классической тро- хоидальной теории волн их высота уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону

h 2 = hе -2яг/ ^ (3.1)

где z - глубина от поверхности моря; h z и h - высота волн на глубине z и на поверхности моря соответственно.

В действительности затухание волн с глубиной происходит несколько быстрее, чем это следует из классической теории волн. Результаты натурных исследований показывают, что уменьшение высоты поверхностных волн с глубиной для аква-

торий, глубина которых в 2 раза и более превосходит длину волны, правильнее оценивать по выражению

h z = he -5,5(z/Х)0,8 . (3.2)

Однако для инженерных расчетов такие уточнения не существенны. На указанных акваториях приближенно рассчитать высоту волны h z на глубине z можно, исходя из несложного правила: если глубина увеличивается в арифметической прогрессии, то высота волн уменьшается в геометрической прогрессии (табл. 3.1).

Ветровые волны подразделяют на вынужденные, возникающие и находящиеся под воздействием ветрового давления, и свободные, имеющие место после прекращения ветра или вышедшие за зону его действия. Свободные волны иначе называют волнами зыби. Результаты многочисленных наблюдений за волнением в натурных условиях показывают, что для глубоководных акваторий, где дно не влияет на форму и размеры ветровых волн, можно считать, что X « 20h для ветровых волн и X « 30h для волн зыби (табл. 3.2). Встречающиеся на пути волн преграды подвергаются гидродинамическим нагрузкам. Согласно современным представлениям гидродинамики основными компонентами общей силы давления волн на любую цилиндрическую преграду являются сила лобового сопротивления, инерционная сила и сила удара воды о преграду.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату линейной скорости орбитального движения. Ее максимальное значение достигается при прохождении у моноопоры вершины гребня волны. Сила лобового сопротивления обусловлена тем, что на поверхности преграды при обтекании ее вязкой жидкостью возникает, а при определенных условиях периодически отрывается, пограничный слой вихревой структуры. Энергия,

Таблица 3.1

Уменьшение высоты волн с глубиной моря (в относительных единицах)

Таблица 3.2

Шкалы степени ветрового волнения (числитель) и зыби (знаменатель)

		< 0, 25 - 0,75
Умеренное		затрачиваемая иа образование вихрей и на преодоление трения воды о преграду, создает силу лобового сопротивления. Инерционная сила объясняется тем, что в условиях волнового режима преграда обтекается переменным по скорости потоком воды. Изменение во времени скорости движения воды создает силу, величина которой прямо пропорциональна ускорению потока. Максимальное значение этой силы достигается на участке волны, положение которого примерно соответствует невозмущенному уровню моря. Таким образом, по отношению к силе лобового сопротивления инерционная сила имеет смещение по фазе, равное я/2. Сила удара обусловлена внезапной потерей скорости потока и сопровождается всплеском. Эта сила пропорциональна квад- рату скорости потока. Ее максимальное значение достигается синфазно с максимумом силы лобового сопротивления. Роль отдельных составляющих в общей силе для волн и преград различных параметров различна. Для сравнительно небольших волн, не сопровождаемых всплеском, наибольшую роль играет инерционная составляющая. Для больших крутых волн, особенно при всплеске, основную роль играют силы лобового сопротивления и удара. Одним из важных критериев в определении сил волнового давления является параметр относительной глубины - отношение глубины акватории Н к длине волны X. Если Н/ X > 0,5, то акватория считается глубоководной и предполагается, что морское дно не оказывает существенного влияния на процесс обтекания преграды. Из табл. 3.1 видно, что уже при 2/X = 5/9 высота волны составляет всего около 3 % от поверхностной. Очевидно, что на глубине, где высоты волн малы, невелико и волновое давление на преграды. Это обуславливает независимость значений равнодействующей волнового давления на преграду от глубины акватории, если Н/X > 0,5. Устойчивый характер зависимости между элементами волн X и h (см. табл. 3.2) позволяет от параметра Н/X перейти к более удобному при расчетах на практике параметру H/h. Тогда можно сделать вывод, что при определении силы волнового давления влияние дна на характер обтекания волнами преграды можно не учитывать, если H/h > 10. На мелководье и в прибойной зоне рост длины волн отстает от увеличения их высоты. Пологость волн здесь уменьшается и достигает значения X/h = 8+12. Поэтому влияние дна на процесс обтекания преграды на мелководье можно не учитывать при меньших значениях параметра H/h.

Классификация морских волн.

План

Лекция № 4. Тема. Морские волны

УДК: 656.62.052.4:551.5 (075) Кузнецов Ю.М. к.т.н., доцент,

кафедры «Судовождение»

1. Классификация морских волн.

2. Элементы волн.

3. Наблюдение за волнами.

В результате воздействия на воды океанов и морей различных природных сил возникают колебательные и поступательные движения частиц воды.

Под морскими волнами понимают такую форму периодического, непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.

Морские волны классифицируются по различным признакам:

По происхождению выделяют следующие виды волн:

Ветровые, образующиеся под действием ветра,

Приливные, возникающие под действием притяжения Луны и Солнца,

Анемобарические, образующиеся при отклонении уровня поверхности моря от положения равновесия, происходящего под действием ветра и изменения атмосферного давления,

Сейсмические (цунами), возникающие в результате подводных землетрясений и извержения подводных или прибрежных вулканов,

Корабельные, образующиеся при движении судна.

По силам, стремящимся возвратить частицу воды в положение равновесия:

Капиллярные волны (рябь),

Гравитационные.

По действию силы после образования волны:

Свободные (действие силы прекратилось),

Вынужденные (действие силы не прекратилось.

По изменчивости элементов во времени:

Установившиеся (не изменяют своих элементов),

Неустановившиеся, развивающиеся, затухающие, (изменяющие свои элементы во времени).

По расположению в толще воды:

Поверхностные, возникающие на поверхности моря,

Внутренние, возникающие на глубине.

По форме:

Двухмерные, представляющие собой следующие друг за другом длинные параллельные валы,

Трехмерные, не образующие параллельных валов. Длина гребня соизмерима с длиной волны (ветровое волнение),

Уединенные (одиночные),имеющие только куполообразный гребень без подошвы волны.

По соотношению длины волны и глубины моря:

Короткие (длина волны значительно меньше глубины моря),

Длинные (длина волны значительно больше глубины моря).

По перемещению формы волны:

Поступательные, характеризующиеся видимым перемещением профиля волны Частицы воды движутся по круговым орбитам.

Стоячие (сейша), не перемещаются в пространстве. Частицы воды совершают движение только в вертикальном направлении. Сейши возникают тогда, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого обычно после прекращения ветра.

В небольших бассейнах (в гавани, бухте и т. п.) сейша может возникать при прохождении судов.

Наиболее часто в морях и океанах судоводителям приходится встречаться с ветровыми волнами, которые вызывают качку судна, заливаемость палубы, уменьшают скорость хода, а при сильном шторме наносят повреждения, которые приводят к гибели судна.

Ветровое волнение подразделяется на три основных типа:

Ветровое – это волнение, которое образуется ветром, дующим в данном месте в данный момент. При ослаблении или полном прекращении ветра волнение переходит в зыбь.

Зыбь – это волнение, распространяющееся по инерции в виде свободных волн после ослабления или прекращения ветра. Зыбь, распространяющаяся при штиле, называется мертвой. Волны зыби обычно длиннее ветровых, более пологи и имеют почти симметричную форму. Направление зыби может отличаться от направления ветра и нередко зыбь распространяется навстречу ветру или под прямым углом к нему.

Прибой – это волны, образуемые ветровыми волнами или зыбью вблизи берегов. Распространяясь с глубокой воды открытого моря в сторону берега на мелководье, волны трансформируются. Трехмерные волны превращаются в двухмерные, имеющие вид длинных гребней, параллельных друг другу, Их высота, крутизна и разрушительная сила увеличиваются Сила удара прибойной волны может достигать 90 т/м 2 . В зоне прибоя возникают опрокидывающие и переворачивающие моменты, опасные для плавсредств.

Поэтому плавание в мелководной прибрежной зоне и высадка на берег здесь очень затруднительна, опасна, а иногда и невозможна.

Предупреждениями о подводных препятствиях могут служить буруны.

Бурун – это явление, когда волны опрокидываются и разбиваются над мелями, банками, рифами и другими повышениями дна.

Одной из разновидностей волн является толчея - это встреча волн с разных направлений, в результате чего они утрачивают определенное направление движения и представляют собой беспорядочные стоячие волны.

Каждая волна характеризуется определенными элементами, такими как:

Гребень волны – часть волны, расположенная выше спокойного уровня.

Вершина волны – наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны – часть волны, расположенная ниже спокойного уровня.

Волны характеризуются следующими элементами (Рис.1):

Рис. 1 Элементы волн

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота h - расстояние по вертикали от подошвы до вершины волны;

Длина λ - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней;

Крутизна – отношение высоты волны к ее длине ();

Период τ – промежуток времени, между прохождением двух смежных вершин через одну и ту же фиксированную точку;

Фронт – линия, проходящая вдоль гребня данной волны; линия, перпендикулярная фронту волны, называется волновым лучом;

Скорость распространения c - расстояние, проходимое определенной точкой волны в единицу времени;

Направление распространения - угол, отсчитываемый от норда в сторону движения волн (или истинный румб, откуда движутся волны).

На основании гидродинамической теории волн получены формулы, связывающие отдельные элементы волн на глубокой воде (когда глубина моря >);

с = 1,56 τ,

λ = 0,64 с 2 ,

τ = 0,64 с,

Высота волны измеряется непосредственно или определяется приближенно с помощью специальной номограммы.

Установлено, что с глубиной волнение быстро затихает и распространяется до глубин, равных длине волны. Так, на глубине, равной половине длины волны, высота волны меньше, чем на поверхности, в 23 раза, а на глубине, равной длине волны в 535 раз.

В навигации следует учитывать, что большие волны возникают при очень сильном ветре постоянного направления, дующем продолжительное время

(более суток), в значительных по размерам и глубинам бассейнах, и что в прибрежной зоне большое влияние на волнообразование, кроме глубины, оказывает конфигурация береговой черты и направление ветра относительно берега (ветер с берега или с моря).

Ветровые волны возникают под действием ветра, и их называют поступательными волнами. После прекращения действия ветра волны в силу инерции еще продолжаются, и такие волны получили название зыби (на рисунке ).

У волны различают высоту (h) - вертикальное расстояние между соседними гребнем и ложбиной; длину волны (λ) - горизонтальное расстояние между соседними гребнями или подошвами (ложбины ).

Рис. Профиль волны и ее элементы (Судольский, 1991):

1 - статический уровень, 2- средняя волновая линия, 3 - профиль волны, 4 - вершина волны, 5 - гребень волны, 6 - подошва волны, 7 - ложбина волны: λ - длина волны, λ г - длина гребня, λ л - длина ложбины, h- высота волны, h r - высота гребня, h n - заглубление подошвы

Крутизна волны (ϵ) определяется делением высоты волны (h) на ее длину (λ).

ϵ = h/λ

Период волны (Т) - время, в течение которого волна пробегает расстояние, равное ее длине. Возраст волны (В) - отношение скорости волны (с) к скорости ветра (W).

Скорость волны равна

с = λ/Т

Соотношения между элементами трохоидальной волны приведены в таблице ниже. Причем длина волны (λ), период волны (Т) и скорость волны (с) взаимозависимы, и их можно определить по формулам. Высота волны (h) не входит в указанные зависимости, и она определяется наблюдением или другими методами, например, по номограмме А. П. Браславского (1952).

Таблица. Соотношение между элементами трохоидальных волн

Для вычисления высоты и длины волны часто используют формулы В. Г Андриянова (1957):

h=0,0208 W 5/4 D 1/3 и λ = 0,304 W D 1/2

и H. А. Лабзовского (1976):

h= 0,073 W √E D и λ = 0,073 W √D/E,

где h и λ, - высота и длина волны, м; W - скорость ветра, м/с; D - длина разгона, км; Е - крутизна волны (h/λ).

h = 0,33 √L

и малых озерах (L<60 км):

h = 0,33 √L + 0,76 - 0,26 4 √L

Но в озерах с L менее 1 км формула дает не всегда реальный показатель высоты волны.

В формулах Е. А. Дьяковой и Н. Д. Шитова помимо длины разгона (D) и скорости ветра (W) учтена глубина водоема (Н, м):

h = 0,0186 W 0,71 D 0,24 H 0,54

h = 0,151 H 0,34 W D 0,33

λ = 0,104 H 0,57 W D 0,33

Для быстрой оценки элементов волн (высота, длина, период и скорость распространения) в зависимости от длины разгона и скорости ветра можно использовать таблицу Н. А. Лабзовского (1952).

Характеристики волнения и состояния водоемов оценивают по шкале степени ветрового волнения и шкале состояния поверхности озера и водохранилища под влиянием ветра (см. таблицу).

При критической глубине (Нкр ≥ h при попутном ветре) у берегов и лудах (мелях) происходит разрушение волн, которые называются у берегов прибоем , на лудах (мелях) - бурунами .

Вода придонных компенсационных течений на повышенных участках дна или в узких мелководных заливах поднимается вверх. Это выражается в аномально низких температурах по сравнению с температурами на соседних глубоких участках.

Каждая волна характеризуется определенными элементами. Общими элементами для волн являются: 1. вершина - наивысшая точка гребня волны; 2. подошва - самая низкая точка ложбины волны; 3. высота (h) - превышение вершины волны; 4. длина () - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн; 5. период (Т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине; 6. крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

7. скорость волны (с) - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода; волны; 8. фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по ножеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространении.

Рисунок 1. Основные элементы волны

2.2Скорость ветровых волн

Ветровые волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещение воды. С ростом глубины горизонтальное перемещение становится пренебрежительно малым уже при глубине, превышающей длину волны. В результате на глубокой воде волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины. Поэтому фазовая скорость волны является функцией только длины волны. На глубокой воде

Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется дисперсной . Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. При скорость волны становится независимой от(система перестает быть дисперсной). Но при этом становится зависимой от глубины.

На мелкой воде

Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, т.е. скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде. Для двух предельных случаев (глубокая и мелкая волна) верны следующие соотношения:

на глубокой воде:

на мелкой воде:

2.3.Высота волны

Высота волны зависит:

разгона волны;

продолжительности действия ветра;

скорости ветра.

Рисунок 2. График зависимости высоты волны от скорости ветра

Максимальная зафиксированная высота волны равнялась 34 м; длина ее составляла 342 м; период 14,8 с.. Она имела фазовую скорость 23,1м/с и групповую скорость около 11,5 м/с

2.4Энергия волн

Согласно гидродинамической теории, энергия волны складывается из кинетической энергии E к частиц жидкости, участвующих в волновом движении, и потенциальной энергии E п, определяемой положением массы жидкости, поднятой над уровнем спокойной поверхности. В волнах малой амплитуды энергия, приходящаяся на площадь, имеющую длину волны и единичную ширину:

, (6)

где - плотность жидкости,;- ускорение свободного падения,;