Эл-ты морских волн

Основные характеристики волн

В море под воздействием ряда природных сил происходит волновые колебания водных масс, основными из которых являются ветровые, вызываемые воздействием ветра на поверхность моря; анемобарические обусловленные изменением атмосферно-

го давления, сгонно-нагонным действием ветра, приводящим к изменению уровня моря; приливные, возникающие под деиствием периодических сил притяжения Луны и Солнца; сейсмические (цунами), связанные с резкими смещениями больших масс воды в результате подводных землетрясений, а также извержений подводных и прибрежных вулканов.

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 иногда приводят

к гибели судна.

Волновые колебания, происходящие под воздействием природной силы, называются вынужденными, когда действие силы пре-кращается, наблюдаются свободные (инерционные) колебания.

По изменчивости элементов волн во времени выделяют неустановившиеся волны, изменяющие свои элементы во времени, а также установившиеся, которые не меняют свои элементы во времени"

По соотношению длины волны и глубины моря различают волны короткие, у которых длина волны значительно меньше глубины

моря, и длинные, у которых длина волны значительно больше

глубины моря.

Выделяются следующие геометрические элементы волны (рис. 46).

Волновой профиль — кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в заданном направлении.

Средний волновой уровень волнового профиля — линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

Каждая волна характеризуется следующими геометрически

ми элементами:

гребень — часть волны, расположенная выше среднего вол

нового уровня;

вершина — наивысшая точка гребня волны;

ложбина — часть волны, расположенная ниже среднего волно

вого уровня;

подошва — наинизшая точка ложбины волны;

высота h — превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;

длина Л(лямбда)— горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генерал ном направлении распространения волн;

крутизна е -отношение высоты данной волны к ее длине

фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности,

проходящая по вершинам гребня волны; данной

луч волны - линия, перпендикулярная фронту волны в данной

точке;

длина гребня L — протяженность гребня волны в направлении фронта;

направление распространения волны — направление перемещения волн вдоль луча волны, отсчитываемое от норда в сторону их движения.

Кроме элементов волн, определяющих их геометрические характеристики, выделяют ки-нематические элементы, к которым относятся:

периоды волны т — интервал времени между прохождением двух смежных вершин через фиксированную вертикаль;

скорость волны с (фазовая скорость) — скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, которая определяется за короткий интервал времени порядка периода волны.

За период волны т профиль ее смещается на расстояние, равное длине волны А,, поэтому длина, период и скорость волны опре-деляются зависимостью

Л (лямда) = сt. (23)

Реальные ветровые волны трехмерные и поэтому для них приходится вводить дополнительные термины, к которым в первую очередь относится понятие высоты в точке. Она определяется как разность по вертикали между наивысшим уровнем вершины (точка А) и уровнем подошвы (точка В), представляющим наинизшую точку ложбины волны (рис. 47).

Волны, возбуждаемые ветром на поверхности моря, подразделяются на два основных типа: ветровые и зыбь.

Ветровые волны находятся под непосредственным воздействием ветра; зыбь — это волнение, оставшееся после ветра, его вызвавшего, или ослабевшего, или изменившего свое направление более чем на 45 °. В море часто наблюдается смешанное волнение, при котором одновременно существуют ветровые волны и зыбь, которая пришла из другого района или образовалась на месте при изменении ветровых условий. Мореплавателям приходится встречаться с особой формой волнения — толчеей, которая образуется двумя или несколькими системами волн, которые распространяются в разных направлениях. При толчее волны обладают большой крутизной с короткими конусообразными гребнями. Направление распространения толчеи на практике определить весьма затруднительно.

Процесс зарождения и развития волнения настолько сложен, что несмотря на многочисленные исследования, до сих пор не создано единой теории для объяснения всех сторон этого сложного природного явления.

Экспериментальные исследования, выполненные в специальном штормовом бассейне, показали, что в реальном морском волне-нии отдельные частицы воды движутся по сложным спиралеобразным траекториям.

На рис. 48 представлена траектория перемещения уравновешенного поплавка в приповерхностном взволнованном слое воды. Как видно, движение поплавка вместе с частицами воды складывается из орбитального и поступательного перемещений.

При этом с увеличением горизонта z залегания частиц воды

в арифметической прогрессии радиус орбит r = h/2 убывает в

прогрессии геометрической. Для определения величины убыва

ния высоты волны в зависимости от горизонта залегания частицы

воды под поверхностью моря используется формула hz = hoexp(-(2п/Л) *z), (24)

где hо — высота волны на поверхности, м; г — горизонт залегания частицы, м.

Из формулы (24) видно, что с увеличением горизонта z в арифметической прогрессии высота подповерхностных волн убывает в прогрессии геометрической.

Если принять среднюю высоту штормовой океанской волны.

hо — 8 м и длину Л= 150 м, то по формуле (24) нетрудно подсчи-|

тать, что на горизонте z=I50 м высота волны hг=16 мм. I

Следовательно, на горизонте, равном длине волны, волнение

практически отсутствует. 1

Поступательное перемещение частиц воды в направлении движения волны носит название волнового течения, которое сушествует независимо от того, дует или прекратился ветер, так как оно вызвано самой природой колебательного процесса.'

Осредненная за период волны скорость волнового течения на любом горизонте от поверхности z определяется выражением

где h0 — высота волны на поверхности моря, м;

z — горизонт, на котором определяется течение, м.

При штормовом волнении скорости волнового течения, как видно из табл. 12, имеют значительные значения по осадке основных типов морских судов.