Appx1

Додаток 1. Теорія хвиль і дані спостережень. К.Стюарт.

РОЗМІРИ хвиль

Навряд чи знайдеться людина, яка не уявляє собі, що таке хвилі, але хвилі, як і люди, дуже різноманітні, виміряти одну в безладної послідовності штормових хвиль все одно, що розрізнити обличчя в натовпі. Однак хвилі, як і люди, різняться за зовнішнім виглядом і характером поведінки. Якщо їх зрозуміти, то можна розраховувати і прогнозувати хвилювання.

Дослідженням, виконаним за останні роки вченими різних країн, присвячена велика наукова література. Тут ми наводимо лише деякі найпростіші відомості і даємо їх теоретичне пояснення. Як правило, дані відносяться до "ідеальним" хвилях, т. Е. Хвилях найпростішої форми. У природі до "ідеальним" хвилях близькі за формою і регулярності хвилі брижах, які спостерігаються в безвітряні дні.

Мал. 45. Основні характеристики хвилі. з - фазова швидкість, h - висота, - довжина.

На рис. 45 визначені елементи вітрової хвилі: довжина , Висота h, період і швидкість c.

Мал. 46. Три типу хвилі.

Для опису "ідеальної" хвилі (рис. 46) зазвичай використовується синусоїда, трохоїда або циклоїда. Кожна з них має свої переваги і недоліки. Вважається, що гребені ряду або послідовності таких хвиль паралельні один одному. У море хвилювання складається з хвиль різних періодів, висот і форм, крім того, дві або три системи хвиль можуть перетинатися.

Залежність між швидкістю, довжиною і періодом хвилі.

При будь-якій формі хвильових рухів є просте співвідношення між швидкістю хвилі, її довжиною і періодом. Якщо з - швидкість хвилі (м / с), - довжина (м), а - період (с), то .

На глибокій воді, де дно не впливає на елементи хвилі, або , Отже, . На рис. 47 для глибокої води показано співвідношення між довжинами хвиль і їх швидкістю в залежності від періоду. (Якщо необхідно визначити швидкість хвиль в вузлах, то з невеликою похибкою можна вважати, що чисельно .)

Мал. 47. Залежність між періодом, довжиною і фазовою швидкістю хвилі.

Хвиля на глибокій воді. Кажуть, що хвиля знаходиться на глибокій воді, якщо глибина місця (Н) більше половини довжини хвилі. (Така хвиля майже не "відчуває" дно.)

Хвиля в зоні обвалення. Якщо глибина становить близько 1/25 довжини хвилі, то вважається, що хвиля знаходиться в зоні обвалення (частіше вважають, що хвиля знаходиться в зоні обвалення, коли глибина стає рівною 1/10 довжини хвилі) (фактично хвиля починає "відчувати" дно, коли глибина становить половину довжини хвилі).

Хвиля в зоні впливу мілководдя, або проміжній зоні, де глибина місця становить від 1/2 до 1/25 довжини хвилі.

Період хвилі не залежить від глибини, а швидкість при переході хвилі на мілководді падає, тому зменшується довжина і швидкість хвилі. Таким чином, в проміжній зоні:

і .

Можна показати, що на дрібній або дуже мілкій воді швидкість хвилі виражається дуже простим співвідношенням: . Зауважимо, що швидкість хвилі на мілкій воді не залежить від довжини (або періоду), а залежить тільки від глибини місця, на якому поширюється хвиля.

ВНУТРІШНЯ БУДОВА ХВИЛІ

Хоча мале судно зазвичай знаходиться в верхньому шарі води, деякі відомості про внутрішню будову хвилі також корисні.

Теоретично при переміщенні форми хвилі маса води не переміщається. Якщо поспостерігати за рухом невеликого поплавка в хвилі, то можна помітити, що він переміщається по замкнутої орбіті, розташованій у вертикальній площині. Амплітуда вертикальних коливань поплавка дорівнює висоті хвилі, амплітуда горизонтальних коливань поплавка також дорівнює висоті хвилі, хоча це і не настільки очевидно. Теоретично орбітальний рух поплавця відбувається по колу; в дійсності орбіта зазвичай являє собою петлеподібну криву, оскільки маса води незначно переміщається вперед.

З рис. 48 видно, що частинки води переміщаються разом з хвилею на гребенях і проти хвилі в улоговинах, крім того, рух частинок швидко згасає з глибиною. На глибині, що дорівнює довжині хвилі (або навіть її половині), воно настільки мало, що ним можна знехтувати.

Мал. 48. Схема руху частинки води в хвилі на глибокій воді.

Н - глибина місця, - довжина хвилі. Орбітальна швидкість частинки води .

В результаті поступального руху частинок води невелика човен, що йде по хвилі, знаходиться на гребені довше, ніж на підошві. Теоретично маленька моторний човен, що йде зі швидкістю 9,5 вузлів, на гребені регулярної хвилі висотою 1,5 м і періодом 4 з збільшує свою швидкість щодо дна більш ніж на 2 вузла. Звичайно, при проходженні проти хвилі швидкість щодо дна зменшується (більш докладно про рух малих суден на хвилюванні см. В додатку 12).

ОСВІТА хвиль.

Життєвий цикл хвилі складається з стадії її зародження під дією вітру, поступового зростання до максимальних розмірів в залежності від деяких обмежуючих факторів, поширення через море, де за відсутності вітру вона стає брижами.

На відміну від вітрових хвиль брижами називають хвилі, що прийшли з області хвилеутворення в іншу область. Брижі легко впізнати, якщо немає вітру, але вона здатна поширюватися і поперек вітру, який створює нову систему хвиль. При русі брижах з району зародження її висота зменшується, і вона може стати майже непомітною, поки не досягне мілководдя поблизу берега.

Криві, або графіки (див. Нижче), для прогнозу характеристик хвиль складені для вітрових хвиль, що виникли під дією місцевого вітру, а не для брижах. Якщо дві прості хвилі синусоїдальної форми накладаються одна на іншу, то загальна висота дорівнює сумі їх висот, однак за певних умов точніше вважати, що сумарна висота двох хвиль дорівнює .

Висота і період хвилі, що утворилася на глибокій воді під дією вітру, залежать від трьох умов: середній швидкості (або сили) вітру, тривалості (або часу) дії вітру, розгону вітру, т. Е. Протяжності (проти вітру від спостерігача) району, над яким дме вітер.

Довжина розгону, звичайно, може бути обмежена наявністю суші, а при вітрі в відкритому океані розгін не обов'язково буде нескінченним.

На рис. 49 показані висоти хвиль в морі, над яким від берега дме вітер постійної сили. Відзначимо дві особливості розвитку хвиль. По-перше, на початку розгону висота хвиль менше, ніж в кінці; по-друге, через деякий час (яке залежить від довжини розгону) хвилі досягають максимальної висоти. У розглянутому прикладі передбачається, що вітер швидкістю 30 вузлів дме три години, на розгоні 33 милі від суші хвилі досягли максимальної висоти і не збільшуватимуться, як би довго не дув цей вітер.

Мал. 49. Зростання і максимальна висота хвиль в залежності від розгону і тривалості дії вітру середньою швидкістю 30 вузлів.

Мал. 50. Послідовність хвиль (внизу), утворена накладанням двох хвильових систем з незначно відрізняються періодами.

Точно так само зростає і досягає максимуму період хвиль.

Сенс терміна максимальна висота хвилі (h max) вимагає деякого пояснення, так як в деяких випадках висота хвилі може бути більшим за максимальну. Справа в тому, що висота хвилі, визначена за номограммам (див. Рис. 52), є максимальною, яку вітер певної сили може розвинути при заданому розгоні протягом деякого часу; проте за цей час складові в послідовності хвиль можуть збігтися за фазою і при накладенні утворити хвилі набагато більшої висоти. Згодом ймовірність появи хвилі більшої висоти зростає; таким чином, проблема стає статистичної і не залежить від методів прогнозу.

З статистичної точки зору за нескінченний час хвилі можуть досягти нескінченної висоти! Але в межах розумного можна прийняти, що хвилі будуть вище розрахованих по номограммам не більше ніж на 20 - 50% (для такого збільшення висоти хвиль шторм повинен тривати відповідно годину і 48 годин). Статистична оцінка найбільш вірогідною висоти найбільших хвиль, звичайно, не означає, що не можуть з'явитися хвилі ще більшої висоти.

Мал. 51. Записи хвилювання, отримані в затоці Уеймут. (Відтворюється з дозволу гідравлічні дослідницької станції Міністерства технології, Уоллінгфорд.)

Іноді вживається термін "значна висота хвилі". Під цим розуміється середня висота високих хвиль, точніше, середня висота однієї третини найбільших хвиль.

Існує думка, що кожна сьома або одинадцята хвиля - найбільша в групі або послідовності хвиль. Це не позбавлено підстави. Якщо є дві послідовності хвиль з незначно відрізняються періодами, то одна (з великим періодом) буде рухатися з дещо більшою швидкістю, ніж інша, в результаті буде спостерігатися явище биття. На рис. 50 показаний профіль такій послідовності хвиль, а на рис. 51 - записи хвиль, отримані в затоці Уеймут.

ПРОГНОЗ ВИСОТ І ПЕРІОДІВ хвиль.

Криві для прогнозу висот і періодів хвиль (рис. 52) побудовані за даними записів хвиль, отриманих за допомогою волнографов за кілька років на судах погоди і проаналізованих в Інституті океанографічних наук (одне з найстаріших установ Великобританії, що займається вивченням Світового океану) (аналогічні криві отримані Бретшнайдером і іншими в США)

Мал. 52. Криві для розрахунку максимальних висот хвиль (а) і періодів значних хвиль (б). Побудовано М. Дарбішайр і Л. Дрейпером. (Відтворюється з дозволу Інституту океанографічних наук, Уормлі.)

Щоб визначити максимальну висоту хвилі або значний період, необхідно на відповідній номограмме знайти точку перетину горизонтальної прямої середньої швидкості вітру з вертикальної прямої розгону або з кривою тривалості дії; точка першого перетину відповідає розрахунковій максимальній висоті хвилі або значного періоду.

Аналогічні криві побудовані для прибережних вод за даними записів на плавмаяках в Північному і Ірландському морях. Між кривими для океану і для прибережних вод є відмінності але вони не дуже істотні і тому не представляють інтересу для яхтсменів. Однак слід зазначити, що при одних і тих же розгонах в прибережних водах, як правило, утворюються коротші і високі хвилі, ніж в океані. Коли в прибережних районах з малими ухилами дна хвилі переміщаються на ще меншу глибину, дно поглинає частину енергії хвиль і їх висота трохи зменшується. Але при раптовій зміні глибини висота хвилі зростає, зменшується її довжина, отже, крутизна хвилі зростає.

ІНШІ ВЛАСТИВОСТІ ХВИЛЮВАННЯ.

Деякі максимальні висоти хвиль.

Можна сказати, що під час штормів в Атлантиці зовсім не рідкість хвилі висотою 7,5 м, не такі вже й незвичні в океанах 12-метрові хвилі, зустрічаються і хвилі заввишки більше 15 м - є цілком надійне сполучення про 34-метрової хвилі, яку спостерігали в Тихому океані. Цей випадок дає підстави вірити в можливість утворення великої хвилі за рахунок накладення двох хвиль, оскільки щоб така хвиля зародилася тільки під впливом вітру, необхідний розгін більше 1000 миль, середня швидкість вітру більше 100 вузлів і час його дії на всій ділянці розгону 30 годин - ситуація практично малоймовірна. Аналіз записів хвилювання, виконаний в Інституті океанографічних наук за даними судів погоди в Атлантиці і плавмаяков навколо узбережжя Великобританії, дозволив отримати цікаву і корисну інформацію. Наприклад, в Атлантиці влітку найбільш ймовірна висота хвилі близько 3,5-5 м, взимку - 5-8 м, у виняткових ситуаціях можна очікувати хвилі висотою 18 м. В Брістольському затоці зареєстрована максимальна висота хвилі 9 м, в Ірландському морі (на плавмаяке в, затоці Моркам) - 8,7 м, на півдні Північного моря (плавмаяк Смітс-Нолл) - всього 7,5 м. на схід від Пітерхеда (Шотландія) зареєстрована хвиля заввишки 18,3 м, ще далі на північ хвилі можуть бути ще більше. Однак в Ірландському морі і в південній частині Північного моря найбільш ймовірні максимальні хвилі порівняно невеликі.

Вплив течій і мілководдя на висоту хвиль

Всякий, хто ходив під вітрилом, добре знайомий з явищем збільшення висоти хвилі на приливному потоці, направленому, проти хвиль (або вітру), і зменшення висоти хвилі, коли приплив і хвилі слідують в одному напрямку. При проходженні хвилі проти потоку зменшується її довжина і, як наслідок зростає крутизна, в той же час період і енергія хвилі залишаються незмінними, тому висота хвилі збільшується Ці два ефекти призводять до утворення високих, коротких і крутих хвиль, і чим коротше хвилі і сильніше течії , тим яскравіше виражені ці ефекти.

У Скріппсоновском океанографічному інституті в США досліджувався вплив зустрічних течій на хвилі і було показано, що висоти хвиль, що приходять в район із зустрічними течіями швидкістю всього 2-3 вузла, можуть збільшуватися на 50-100%. Такі хвилі обрушуються навіть при відсутності сильного вітру.

Необхідно також відзначити, що хвилі, приливний Сулою і штовханина можуть створюватися навіть при відсутності вітру за рахунок гідравлічних ефектів при зустрічі сильних течій з перешкодами на дні моря.

Суттєво впливає на висоту хвиль мілководді. На мілкій воді висота хвилі, що приходить спочатку починає збільшуватися, і, коли відношення глибини до довжини хвилі складе близько 1/100, висота збільшиться приблизно на 50%. Наприклад, низька брижі з періодом 10 с і висотою 0,6 м на глибокій воді може мати висоту 0,9 м на глибині 1,5 м. Однак перш ніж збільшитися, хвилі несподівано зменшуються, на глибинах між 1/4 і 1/10 висоти хвилі зменшення становить близько 10% від початкової висоти на глибокій воді.

обрушуються хвилі

Для хвиль певного періоду, як правило, існує гранична висота, після досягнення якої відбувається обвалення гребеня. Теоретично на глибокій воді обвалення відбувається, коли відношення висоти хвилі до довжини трохи менше 1/7; практично обвалення спостерігається при відносно 1/14. (Зауважимо, що деякі ділянки хвилі можуть бути ще крутіше. Для характеристики крутизни не хвилює в цілому, а окремими "її ділянок використовується поняття ухилу.)

На гребені обрушивающейся хвилі вода в певний момент повинна рухатися швидше самої хвилі; для хвилі з періодом 10 с це означає абсолютну швидкість більше 30 вузлів.

На мілководді істотніше відношення висоти хвилі до глибини, від якого залежить, буде перекидатися хвиля чи ні. Теоретично це відношення дорівнює приблизно 1: 1,25. Однак на обвалення хвиль на мілкій воді впливають і інші фактори або явища, такі, як течії і можливі ефекти фокусування при рефракції.

рефракція

Рефракція, або викривлення фронту хвилі при переході під кутом з одного глибини на іншу, має аналогію з викривленням світлових променів при проходженні через більш щільну середу. Наприклад, якщо хвилі з відкритого моря підходять під кутом то ділянку фронту хвилі, що підійшов до мілководдя сповільнюється (внаслідок зменшення довжини хвилі), інша ж частина фронту хвилі, яка все ще перебуває на глибокій воді, зберігає свою відносно вищу швидкість поки в свою чергу не досягне більш дрібного місця (рис. 53а і 53б).

Мал. 53а. Схема (масштаб не витриманий) викривлення хвильових променів внаслідок рефракції при підході під кутом до прямолінійного березі або вході в затоку.

Мал. 53б. Схема (масштаб не витриманий) рефракції хвиль при обгинанні острова округлої форми.

Зверніть увагу на перетин хвиль за підвітряного берега - при наявності мілководдя цей ефект посилюється.

Хвилі більшої довжини (т. Е. Більшого періоду) починають рефрагірованних раніше, ніж хвилі меншої довжини. Тому коли хвилі з дуже глибокої води (де зазвичай є дуже широкий набір періодів) загортають в затоку, то в різних частинах затоки спостерігаються хвилі різних періодів. Цей ефект найбільш помітно проявляється на огороджених якірних стоянках, де часто забезпечується хороший захист від місцевих штормів і сильного хвилювання, а длінноперіодних брижі, яка при рефракції легко огинає мис або хвилелом, відчувається досить сильно. Прикладами захищених якірних стоянок, де зустрічається велика штиль, є бухта Косзнд близько Плімута і затоку Сент-Айвс на північному узбережжі півострова Корнуолл.

Хоча хвилі, що входять в .залів, через рефракції зменшуються по висоті, необхідно пам'ятати, що рефракція над мелью зі змінною глибиною цілком може привести до фокусування хвиль і, отже, збільшення їх висоти.

дифракція

Явище дифракції часто плутають з рефракцією, так як викривлення фронту хвилі при обгинанні хвилерізу або стрімчастого мису таке ж, як при рефракції над мелью або косою. Дифракція не залежить від глибини, це просто поворот гребеня хвилі в зону, захищену від безпосереднього проникнення хвиль.

На рис. 54 схематично показано поширення фронту хвилі після дифракції у хвилерізу.
Цікаво відзначити наявність на незахищеній поверхні безпосередньо за головою хвилерізу лінії, уздовж якої висота хвиль збільшується; по обидва боки від неї знаходяться хвилі меншої висоти.

Мал. 54. Схема (масштаб не витриманий) викривлення фронту хвилі і зміни висоти хвилі внаслідок дифракції при проходженні хвилерізу.

Відображені і стоячі хвилі.

Хоча відображені и стоячі Хвилі в відкрітому океані невідомі, їх слід остерігатіся при підході до Притулка. Велике хвілювання зазвічай поглінається дном з ухилу примерно 1: 3, но чім довше Хвилі, тім легше смороду відбівається від даного Схили. Від вертикальної або майже вертикальної стінки може статися повне відображення, тоді на деякій ділянці виникає система стоячих хвиль. В такому місці є дуже високі хвилі, в два рази вище, ніж набігають (прогресивні) хвилі, і дуже низькі хвилі. Смуги високих і низьких хвиль утворюють вузли і пучности, відстань між пучностями або вузлами дорівнює половині довжини хвилі.

Мал. 55. Освіта стоячій хвилі внаслідок відображення хвилі від нерухомої стінки.

На рис. 55 показана система стоячих хвиль, утворена при відображенні хвилі від стінки. Якщо стінка не пряма, а викривлена ​​щодо фронту хвилі, то можлива "фокусування" відбитих хвиль (так само, як світлових) і освіту дуже сильного хвилювання. Більш того, якщо хвилі підходять до хвилелом під кутом, то при їх відображенні утворюються пересічні системи хвиль.

Зміст