Классификация морских волн

Морские волны можно классифицировать по различным признакам.

1. По силам, вызывающим волновое движение, т. е. по происхождению, можно выделить в океане (море) следующие виды волн:

 ветровые - вызванные ветром и находящиеся под его воздействием;

приливные - возникающие под действием периодических сил притяжения Луны и Солнца;

 анемобарические - связанные с отклонением поверхности океана от положения равновесия под действием ветра и атмосферного давления;

 сейсмические (цунами) - возникающие в результате динамических процессов, протекающих в земной коре и, в первую очередь, подводных землетрясений, а также извержений вулканов, как подводных, так и прибрежных;

 корабельные - создающиеся при движении корабля.

Наиболее часто (практически всегда) на поверхности морей и океанов наблюдаются ветровые и приливные волны, при этом ветровые волны доставляют наибольшие неприятности мореплавателям: вызывают качку корабля, заливают палубу, уменьшают скорость хода, уклоняют его от заданного курса, могут наносить повреждения, а подчас вызывают гибель судна, разрушают берега и береговые сооружения.

Приливные волны обычно воспринимаются в форме периодических колебаний уровня - приливов и периодических течений.

2. По силам, которые стремятся возвратить частицу воды в положение равновесия, различают:

 капиллярные волны;

 гравитационные волны.

В первом случае восстанавливающей силой является сила поверхностного натяжения, во втором - сила тяжести. Капиллярные волны малы по своим размерам и образуются либо в первый момент воздействия ветра на водную поверхность (рябь), либо на поверхности основных гравитационных волн (вторичные волны). В море главное значение имеют гравитационные волны.

3. По действию силы после образований волны выделяют волны:

 свободные, когда сила прекращает действие после образования волны;

 вынужденные, когда действие силы не прекращается.

4. По изменчивости элементов волн во времени выделяют:

 установившиеся волны, которые не изменяют своих элементов;

 неустановившиеся волны, развивающиеся или, наоборот, затухающие,

изменяющие свои элементы по времени.

5. По расположению различают:

 поверхностные волны, возникающие на поверхности моря;

 внутренние, возникающие на глубине и почти не проявляющие себя на

поверхности.

6. По форме выделяют:

 двумерные волны, средняя длина гребня которых во много раз больше средней

длины волны;

 трехмерные, средняя длина гребня которых соизмерима с длиной волны;

7. По соотношению длины волны и глубины моря различают:

 короткие волны, у которых длина волны значительно меньше глубины моря (λ<H);

 длинные, у которых длина волны значительно больше глубины моря (λ > H).

8. По перемещению формы волны выделяют волны:

 поступательные, видимая форма которых перемещается в пространстве;

 стоячие, видимая форма которых в пространстве не перемещается.

Поступательные волны характеризуются тем, что у них перемещается только

форма (профиль) волны (рис.17).

Рис. 17. Поступательная волна и орбита частиц

Частицы же воды движутся по почти замкнутым орбитам, имеющим форму, близкую к окружности или эллипсу. Поэтому предмет, находящийся на поверхности моря, также совершает колебательные движения, соответственно движению частиц воды по их орбитам.

При стоячей волне частицы воды не совершают движений по круговым орбитам (рис.18). В пучностях (на рисунке - П), т. е. в точках, где амплитуда колебания

уровня наибольшая, частицы двигаются только по вертикали. В узлах, т. е. в точках,

где колебания уровня отсутствуют, частицы двигаются только в горизонтальном

направлении.

Рис. 18. Схема стоячей волны

Элементы волны

Каждая волна, поступательная или стоячая, характеризуется определенными элементами (рис.19). Общими элементами для обоих типов волн являются.

Волновой профиль - кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в заданном направлении (обычно в направлении распространения волн).

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

Гребень волны - часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня.

Вершина волны - наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны - часть волны, расположенная ниже среднего волнового уровня.

Подошва волны - наинизшая точка ложбины волны.

Высота волны h - превышение высоты волны под соседней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн. Высота волны равно удвоенной амплитуде или удвоенному радиусу орбиты поступательной волны при круговых орбитах (h = 2r).

Длина волны λ - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн.

Крутизна волны - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Для практики значение имеет наибольший наклон, который приближенно равен отношению высоты волны к ее полудлине h /λ/2 .

Рис. 19. Кривая волновых колебаний поверхности воды

Для удобства характеристики крутизны волны пользуются отношением высоты к длине (h /λ ), которое и называют средней крутизной волны.

Перечисленные элементы определяют геометрические характеристикиволны. Для поступательной волны необходимо добавить еще три элемента

Направление распространения волн, отсчитываемое от норда в сторону их движения.

Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяется по множеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространения волн.

Длина гребня волны - протяженность гребня волны в направлении ее фронта.

Кроме элементов, определяющих геометрические характеристики волны, выделяют кинематические элементы. К ним относятся:

Период волны τ - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль. Период волны можно определить и как время обращения частицы по ее орбите.

Для стоячей волны период определяется промежутком времени, за который совершается полное колебание уровня, так как частицы воды в этом случае не совершают движения по круговым орбитам.

Скорость распространения, или фазовая скорость с_f - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны. Понятие скорости относится только к поступательной волне.

Кроме фазовой скорости, применяются понятия угловой скорости вращения частиц по орбитам ω и линейной скорости орбитального движения частиц ν.

Между элементами волны существуют следующие соотношения:

ν=ωr h=2r ω= λ=2πr

где r - радиус орбиты частицы.

Указанные элементы волн относятся к правильной двумерной волне. Реальные ветровые волны трехмерные. Запись реальной трехмерной волны по наблюдениям в точке представлена на рис. 20.

Рис. 20. Схема трехмерной волны

Как видно на рисунке, реальная волна весьма далека от двухмерной волны (типа зыби). Поэтому в теории волн приходится вводить дополнительные термины.