§ 25. Основные характеристики волн

В море под воздействием ряда природных сил происходят волновые колебания водных масс, основными из которых явля­ются ветровые, вызываемые воздействием ветра на поверхность моря; анемобарические, обусловленные изменением атмосферно­го давления, сгонно-нагонным действием ветра, приводящим к изменению уровня моря; приливные, возникающие под действием 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 пре­кращается, наблюдаются свободные (инерционные) колебания.

По изменчивости элементов волн во времени выделяют неуста- новившиеся 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 геометрически­ми элементами:

гребень — часть волны, расположенная выше среднего вол­нового 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 по­

дошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направ­лении распространения волн;

длина X — горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генераль­ном направлении распространения волн;

крутизна е — отношение высоты данной волны к ее длине; фронт волны — линия на плане взволнованной поверхности,

проходящая по вершинам гребня волны;

луч волны — линия, перпендикулярная фронту волны в данной

точке;

Рис.

длина гребня L — протя­женность гребня волны в на­правлении фронта;

Рис. 47. Разрез трехмерной волны

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

Кроме элементов волн, опре­деляющих их геометрические характеристики, выделяют ки­нематические 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 X, поэтому длина, период и скорость волны опре­деляются зависимостью

/. = «. (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 наи- низшую 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.

Рис. 48. Траектория частиц при морском волнении:

1 — движение по замкнутой орбите; 2 — суммарное перемещение

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 волне­нии 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 г залегания частиц воды в арифметической прогрессии радиус орбит r=h/2 убывает в прогрессии геометрической. Для определения величины убыва­ния высоты волны в зависимости от горизонта залегания частицы воды под поверхностью моря используется формула

где Ао — высота волны на поверхности, м; z — горизонт залегания частицы, м.

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

Если принять среднюю высоту штормовой океанской волны йо = 8 м и длину К = 150 м, то по формуле (24) нетрудно подсчи­тать, что на горизонте z=150 м высота волны h_z= 16 мм.

Следовательно, на горизонте, равном длине волны, волнение практически отсутствует.

Поступательное перемещение частиц воды в направлении движения волны носит название волнового течения, которое су- шествует 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 /г о — 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.

Таблица 12

Волновое течение усложняет траекторию движения частиц воды, поэтому ветровая волна имеет форму, отличную от трохои­ды, наветренный склон у нее пологий, а подветренный — более крутой.