Волнение моря представляет собой колебание водной поверхности вверх и вниз от среднего уровня. Однако в горизонтальном направлении при волнении не перемещаются. В этом можно убедиться, наблюдая за поведением поплавка, качающегося на волнах.
Волны характеризуются следующими элементами: наиболее низкая часть волны называется подошвой, а самая высокая - гребнем. Крутизной склонов называется угол между ее склоном и горизонтальной плоскостью. Расстояние по вертикали между подошвой и гребнем есть высота волны. Она может достигать 14-25 метров. Расстояние между двумя подошвами или двумя гребнями называется длиной волны. Наибольшая длина около 250 м, крайне редко встречаются волны до 500 м. Быстрота продвижения волн характеризуется их скоростью, т.е. расстоянием, пробегаемым гребнем обычно за секунду.
Главной причиной волнообразования является . При малых его скоростях возникает рябь - система мелких равномерных волн. Они появляются с каждым порывом ветра и мгновенно затухают. При очень сильном ветре, переходящем в шторм, волны могут деформироваться, при этом подветренный склон оказывается круче наветренного, а при очень сильных ветрах гребни волны срываются и образуют белую пену - «барашки». Когда шторм кончается, по морю еще долго ходят высокие волны, но уже без острых гребней. Длинные и пологие волны после прекращения ветра называются зыбью. Крупную зыбь с малой крутизной и длиной волны до 300-400 метров при полном отсутствии ветра называют ветровой зыбью.
Преобразование волн происходит также при приближении их к берегу. При подходе к пологому берегу нижняя часть набегающей волны тормозится о грунт; длина уменьшается, а высота увеличивается. Верхняя часть волны движется быстрее нижней. Волна опрокидывается, и гребень ее, падая, рассыпается на мелкие, насыщенные воздухом, пенистые брызги. Волны, разрушаясь у берега, образуют прибой. Он всегда параллелен берегу. Вода, выплеснутая волной на берег, по пляжу медленно стекает обратно.
Когда волна подходит к обрывистому берегу, она со всей силой ударяется о скалы. В этом случае волна взбрасывается вверх в виде красивого, пенистого вала, достигающего высоты 30-60 метров. В зависимости от формы скал и направления волн вал разбивается на части. Сила удара волн доходит до 30 тонн на 1 м2. Но необходимо отметить, что главную роль играют не механические удары масс воды о скалы, а образующиеся воздушные пузырьки и перепады гидравлического , которые в основном и разрушают , слагающие скалы (см. Абразия).
Волны активно разрушают прибрежную сушу, окатывают и истирают обломочный материал, а затем распределяют его по подводному склону. У приглубья берегов сила удара волн очень велика. Иногда на некотором расстоянии от берега находится мель в виде подводной косы. В этом случае опрокидывание волн происходит на отмели, и образуется бурун.
Форма волны все время меняется, производя впечатление бегущей. Это происходит вследствие того, что каждая водная частица равномерным движением описывает круги около уровня равновесия. Все эти частицы движутся в одну сторону. В каждый момент частицы находятся в разных точках круга; это и есть система волн.
Наибольшие ветровые волны наблюдались в Южном полушарии, где океан наиболее обширен и где западные ветры наиболее постоянны и сильны. Здесь волны достигают 25 метров в высоту и 400 метров в длину. Скорость передвижения их около 20 м/с. В морях волны меньше - даже в большом они достигают только 5 м.
Для оценки степени волнения моря применяется 9-балльная шкала. Ее можно использовать при изучении любого водоема.
9-балльная шкала оценки степени волнения моря
| Баллы | Признаки степени волнения |
|---|---|
| 0 | Гладкая поверхность |
| 1 | Рябь и небольшие волны |
| 2 | Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, но белой пены еще нет |
| 3 | Местами на гребнях волн появляются «барашки» |
| 4 | «Барашки» образуются всюду |
| 5 | Появляются гребни большой высоты, и ветер начинает срывать с них белую пену |
| 6 | Гребни образуют валы штормовых волн. Пена начинает вытягиваться полностью |
| 7 | Длинные полосы пены покрывают склоны волн и местами достигают их подошвы |
| 8 | Пена сплошь покрывает склоны волн, поверхность становится белой |
| 9 | Вся поверхность волны покрыта слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость уменьшается |
Для защиты от волн портовых сооружений, причалов, береговых участков моря из камня и бетонных глыб строят волноломы, гасящие энергию волн.
Ветровые волны
Штормовые волны в Северной части Тихого Океана
Океанские волны
Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.
В силу того что вода является веществом более плотным, чем воздух (примерно в 800 раз) - реакция воды на воздействие ветра несколько «запаздывает», и рябь переходит в волны лишь через некоторое расстояние и время при условии постоянного воздействия ветра. Если учесть такие параметры, как постоянность потока ветра, его направление, скорость, площадь воздействия, а также предыдущее состояние колебания поверхности водной глади, то мы получаем направление волны, высоту волны, частоту волны, наложение нескольких колебаний-направлений на один и тот же участок поверхности воды. Следует отметить, что направление волны не всегда совпадает с направлением ветра. Это особо заметно при изменении направления ветра, смешивании разных воздушных потоков, изменении условий среды воздействия (открытое море, гавань, суша, залив или любое другое достаточно большое тело, способное внести изменение в тенденцию воздействия и образования волн)- это означает, что иногда ветер гасит волны.
Вертикальное движение волн
В отличие от постоянных потоков в реках, что идут в практически одном и том же направлении, энергия волн содержится в их вертикальном колебании и частично горизонтальном при малой глубине. Высота волны, а точнее, её распределение, расценивается как 2/3 над среднестатистической поверхностью воды и всего лишь на 1/3 в глубь. Примерно такое же соотношение отмечается и в скорости движения волны вверх и вниз. Вероятно, эта разница вызвана разной природой сил воздействия на движение волны: при подъёме водной массы действует в основном давление (волну буквально выдавливает из моря повышенное давление воды на данном участке и сравнительно низкое сопротивление-давление воздуха). При движении волны вниз в основном действуют сила гравитации , вязкость жидкости, давление ветра на поверхность. Противодействуют этому процессу: инерция предыдущего движения воды, внутреннее давление моря (вода медленно уступает место опускающейся волне - перемещая давление в близлежащие районы воды), плотность воды, вероятные восходящие потоки воздуха (пузыри), возникающие при опрокидывании гребня волны, и т. д.
Волны как возобновляемый источник энергии
Особенно важно отметить тот факт, что ветровые волны являются сконцентрированной энергией ветра. Волны передаются на большие расстояния и сохраняют в себе потенциал энергии на долгое время. Так, часто можно наблюдать волнение моря после бури или шторма, когда ветер давно стих, или волнение моря при штиле. Это даёт волнам большое преимущество как возобновляемому источнику энергии в ввиду его сравнительного постоянства и возможности прогнозирования, поскольку волны возникают практически с небольшой задержкой после возникновения ветра и продолжают существовать долго после него, перемещаясь на далёкие расстояния, что делает получение электроэнергии от волн более рентабельным по сравнению с ветрогенераторами . Сюда следует добавить постоянство морского волнения вне зависимости от времени суток или облачности, что делает волновые генераторы более рентабельными по сравнению с солнечными батареями , так как солнечные батареи вырабатывают электричество только днём и желательно при ясной летней погоде - зимой же процент производительности ниспадает до 5 % от предполагаемой мощности батареи.
Колебания водной поверхности являются результатом воздействия солнечной активности. Солнце нагревает поверхность планеты (причём неравномерно - суша нагревается быстрее, чем море), повышение температуры поверхности приводит к повышению температуры воздуха - а это, в свою очередь, приводит к расширению воздуха, что означает повышение давления. Как известно, воздух с избыточным давлением перетекает в область с менее высоким давлением - то есть создаётся ветер . А ветер нагнетает волны. Надо отметить, что этот феномен также хорошо действует и в обратном направлении, когда поверхность планеты неравномерно остывает.
Если учесть возможность повышения концентрации энергии на квадратный метр поверхности путём уменьшения глубины дна и (или) создания волновых «загонов» - вертикальных барьеров, то получение электричества от волновых колебаний водной поверхности становится очень выгодным предложением. Подсчитано, что при использовании лишь 2-5 % энергии волн мирового океана человечество в силах перекрыть все свои нынешние потребности в электроэнергии на глобальном уровне в 5 раз.
Сложность воплощения волновых генераторов в реальность заключается в самой водной среде и её непостоянстве. Известны случаи высоты волн в 30 и более метров. Сильны волнения или высокая энергоконцентрация волн в районах ближе к полюсам (в среднем 60-70 кВ/кв.м.). Этот факт ставит перед изобретателями, работающими в северных широтах, задачу обеспечить должную надежность устройства, чем уровень КПД . И наоборот - в Средиземном море и Чёрном море, где энергоёмкость волн составляет в среднем около 10 кВч/квадратный метр, конструкторы, кроме живучести установки в неблагоприятных условиях, вынуждены искать способы повышения эффективности установки (КПД), что неизменно приведёт последних к созданию более рентабельных установок. Примером может послужить Австралийский проект Oceanlinx .
В Российской Федерации эта ниша производства электроэнергии пока не заполнена, несмотря на практически неограниченные водные просторы разной энергоёмкости, начиная с Байкала, Каспийского, Чёрного морей и кончая Тихим Океаном и другими северными водными просторами (на период незамерзания).
Кроме того, в местах преобразования волн в электроэнергию морская жизнь становится более богатой ввиду того, что дно не подвергается деструктивным воздействиям во время шторма.
Примечания
- Carr, Michael "Understanding Waves" Sail Oct 1998: 38-45.
- Rousmaniere, John. The Annapolis Book of Seamanship, New York: Simon & Schuster 1989
- G.G. Stokes (1847). «On the theory of oscillatory waves». Transactions of the Cambridge Philosophical Society
8
: 441–455.
Reprinted in: G.G. Stokes Mathematical and Physical Papers, Volume I . - Cambridge University Press, 1880. - P. 197–229. - Phillips, O.M. (1977), «The dynamics of the upper ocean» (2 nd ed.) ISBN 0 521 29801 6
- Holthuijsen, L.H. (2007), «Waves in oceanic and coastal waters» , Cambridge University Press, ISBN 0521860288
- Falkovich, Gregory (2011), «Fluid Mechanics (A short course for physicists)» , Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-00575-4
Ссылки
При продолжительном действии ветра на поверхности воды развивается волнение, при котором частицы воды совершают сложное вращательно-поступательное движение. Вода при волнении производит на сооружение дополнительное давление (сверх гидростатического, отвечающего расчетному уровню), называемое волновым.
Вид волн и значение их параметров (высота h , период , длина волны, - рис. 2.6) зависят от волнообразующих факторов - скорости ветра W , продолжительности его действия t , глубины водоема H и длины разгона волны D .
Рис. 2.6 Параметры волны
Высоту волны определяют по самому невыгодному сочетанию скоростей ветра при расчетном шторме и длины разгона. Длина разгона равна расстоянию по прямой от берега до сооружения, а величину скорости ветра в этом направлении определяют по розе ветров (рис. 2.7).
Рис. 2.7 Роза ветров (а ) и длина разгона волны (б )
Волны, периоды и высота которых изменяются от одной волны к другой случайным образом, называют нерегулярными; если периоды и высоты отдельных волн одинаковы, их классифицируют как регулярные.
Волновое поле водоема по длине разгона волны делится на зоны (рис. 2.8): I
- глубоководную (),
где практически дно не влияет на параметры волн;II
- мелководную (
), в которой по мере уменьшения глубины уменьшаются длина и скорость волн и увеличивается крутизна переднего и пологость заднего склонов (при волны разрушаются и преобразуются в прибойные волны); III
- зону прибойных волн, опрокидывающихся при движении (); IV
-
приурезовую, где волны окончательно разрушаются и затем накатываются на берег.
Скорость ветра, определяемая на какой-либо высоте, приводится к высоте 10 м над уровнем воды. Обеспеченность расчетного шторма для сооружений I
и II
класса - 2%, III
и IV
- 4%.
Из-за малой точности определения волнообразующих факторов, в частности скорости ветра, точность расчета элементов волн невысока. Скорость ветра оценить с достаточной точностью по непосредственным наблюдениям не удается вследствие того, что только после создания водохранилища складывается соответствующая ситуация, определяющая формирование потока воздуха при переходе с материка на водную поверхность. Получение расчетной высоты волны с точностью примерно 10% требует точности вводимой в расчет скорости ветра около 5%, что пока недостижимо. В результате приближенного определения высоты волны получается приближенное значение волновой нагрузки.
Система волн, образующихся при расчетном шторме, характеризуется средними значениями и , для определения которых вычисляют по заданным W
, H
и D
безразмерные параметры , , и далее по номограмме рис. 2.9 (СНиП И-57-75) отыскиваются ,
,
определяющие и .
Верхняя огибающая номограммы отвечает глубоководной зоне, для которой расчет и ведут по исходным параметрам и ;
при отсутствии фактических данных принимается t
= 6 ч.
Oпределив и ,
по наименьшим их величинам находят средние высоту волны и период .
Поле ниже огибающей кривой отвечает мелководной зоне с уклоном дна 0,001 и меньше. Расчет и ведут по параметрам
Рис. 2.8 Деление акватории на зоны по глубине:
I
- глубоководная; II
- мелководная; III
- прибойная; IV
-
приурезовая; 1
– створ первого обрушения волн; 2
- последнего обрушения
Рис. 2.9 Графики для определения средних значений элементов ветровыхволн в глубоководной I и мелководной (при уклоне дна ) II зонах
и . При уклоне дна более 0,001 расчет высоты волны h производят [СНиП 11-57-75, прилож. I, п. 17] с учетом трансформации волн. т. е. изменения параметров волн вследствие уменьшения глубины с учетом рефракции - искривления линии гребня волны при косом подходе волны - и с учетом потерь энергии.
Среднюю длину волны в глубоководной зоне определяют по формуле
(2.10)
Высоту волны р % обеспеченности в системе волн глубоководной зоны определяют умножением средней высоты волны на коэффициент который зависит от волнообразующих факторов и имеет величину, равную или несколько меньшую указанной ниже.
Величина критической глубины Н кр (глубина разрушения волн) зависит от многих одновременно действующих факторов. Можно принимать Н кр = (1,25-1,8)h i .
Высота волны отсчитывается от расчетного уровня, который при заданной отметке уровня воды в верхнем бьефе может изменяться за счет ветрового нагона на величину
(2.11)
Где - угол между продольной осью водоема и направлением ветра.
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,;
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.
Загрузка...