Onda de água

Nas ondas de água, são ondas de superfície na interface entre a água e o ar, ou uma onda interna na interface entre duas camadas de água de densidades diferentes no oceano isopínico (em camadas). De acordo com Walter Munk , isso significa todas as deflexões do nível da água com períodos de décimos de segundo a horas ( maremotos ).

Classificação das ondas do mar de acordo com Munk: nomes, forças estimulantes e amplitudes relativas
As ondas de água íngremes são caracterizadas por vales extensos e cristas pontiagudas. A imagem mostra uma onda correndo da esquerda para a direita pouco antes de virar.
Gravação de áudio das ondas do mar rolando na terra
Movimento das ondas do mar

Em comprimentos de onda menores que 4 mm, a tensão superficial da água determina as propriedades das ondas capilares , nas quais a viscosidade da água também causa fortes efeitos dissipativos . Em comprimentos de onda superiores a 7 cm, a inércia, a força da gravidade e as mudanças resultantes na pressão e no movimento são decisivas para as propriedades da onda gravitacional .

Formação de onda

Vídeo das ondas do mar atingindo as rochas
Vídeo de uma onda, claramente reconhecível a água recuando na frente da onda, quebrando a onda e depois correndo para a praia

Pedras e obstáculos de fluxo jogados na água criam ondas, enquanto os navios em movimento são acompanhados por uma onda de proa . Seaquakes podem causar tsunamis . Nenhuma outra referência é feita a este último ou às ondas gigantes neste ponto, mas sim, preferencialmente , as ondas de superfície do mar geradas pelo vento em função da profundidade da água são tratadas.

Formação de ondas pelo vento

O mecanismo de criação de ondas pelo vento é a instabilidade de Kelvin-Helmholtz . Na área em que ocorre o swell, os seguintes fatores de influência devem ser distinguidos:

  • o comprimento do golpe ( fetch ) F = distância de exposição do vento na superfície da água,
  • a velocidade do vento U e
  • a duração do vento como o chamado tempo de amadurecimento do swell.

Sua interação determina o tamanho das ondas e sua forma. Quanto maior uma dessas variáveis ​​de influência, maiores serão as ondas. Em mares rasos, a profundidade da água tem uma influência limitadora.
O intumescimento resultante é caracterizado por:

  • as alturas das ondas,
  • os comprimentos de onda,
  • os períodos e
  • a direção do avanço da onda (com base na direção norte).

Em uma determinada área marítima, existem ondas com diferentes larguras de banda de alturas e períodos. Os seguintes são definidos como dados característicos para a previsão de onda:

  • a altura significativa da onda e
  • o período de onda significativo .

Ambos se referem às ondas observadas ao longo de um determinado período de tempo e representam, como valores estatísticos, valores médios para a terceira das ondas mais altas do coletivo.

Estrutura e propriedades

Geometria de uma onda trocoidal de águas profundas: Definir a altura da onda H, o comprimento da onda L, o nível de águas calmas, a assimetria horizontal e vertical das ondas.

Altura da onda, comprimento da onda, inclinação da onda

As ondas de água diferem em forma da forma sinusoidal regular . Sua forma é assimétrica tanto horizontal quanto verticalmente. A parte da onda que está acima do nível da água calma é chamada de crista da onda . A posição de maior deflexão é a crista da onda . A parte da onda que fica abaixo do nível de águas calmas é o vale da onda . A altura da onda é a soma das quantidades de ambas as deflexões máximas adjacentes:

O valor da deflexão máxima do nível de água positivo excede a deflexão máxima do nível de água negativo quanto mais raso o nível de água se torna. Com ondas em águas rasas, a altura da crista da onda pode ser até 3/4 da altura total da onda H, enquanto o vale da onda H / 4 está abaixo do nível de águas calmas. O comprimento de onda (símbolo ) denota a soma de seus comprimentos parciais desiguais da área do cume e da área do vale em relação ao lençol freático calmo, veja a imagem à direita. Isto é

< e
.

O quociente entre a altura e o comprimento da onda é uma característica importante para avaliar a estabilidade das ondas e é conhecido como inclinação da onda S.

.

De acordo com Stokes (1847), o valor limite teórico se aplica a ondas acima da profundidade da água . Na verdade, as ondasrebentam às . No oceano aberto, há declives de onda entre eles . Para a área de águas rasas, medições da natureza confirmaram a fórmula de Miche (1944), que também leva em consideração o efeito limitador do fundo do mar.

Desde o século 19, a forma assimétrica das ondas naturais da água foi descrita por Gerstner (1804) e, acima de tudo, por Stokes (1847) com crescente esforço matemático. Apesar disso, a teoria da onda linear de Airy- Laplace (1845), que é baseada na forma seno regular, ainda é frequentemente usada para estimativas práticas .

Movimento orbital

Onda de águas profundas trocoidal: direções instantâneas da velocidade orbital em diferentes posições na superfície da onda.
Onda de águas profundas de acordo com Stokes: órbitas orbitais das partículas de água começando em duas posições com uma distância de meio comprimento de onda.

De acordo com as teorias ondulatórias de Gerstner e Airy-Laplace, as partículas de água são movidas aproximadamente em caminhos circulares (caminhos orbitais) sobre grandes profundidades de água ao passar por uma onda, cujos raios no campo de fluxo abaixo da superfície da água até uma profundidade que corresponde a cerca de metade do comprimento de onda, de acordo com uma redução da lei exponencial a zero. O período do ciclo é o período de revolução que corresponde ao avanço da onda em um comprimento de onda completo . Assim, a velocidade orbital na superfície da água é:

.

E a velocidade de avanço da onda é

.

Em contraste, de acordo com a teoria de Stokes, as trajetórias das partículas de água não se fecham após um período de onda . De acordo com essa teoria, o movimento orbital circular é sobreposto por uma velocidade de deriva horizontal U na direção da velocidade de avanço da onda c, que é chamada de velocidade de transporte de massa. Na animação à direita, os pontos vermelhos indicam as posições atuais das partículas sem massa que se movem com a velocidade do fluxo. As linhas azuis claras são a trajetória dessas partículas e os pontos azuis claros indicam as posições das partículas após cada período de onda. Os pontos brancos são partículas líquidas que se movem na mesma direção. Observe que o período de onda das partículas líquidas perto da superfície livre é diferente daquele em relação a uma posição fixa (indicada pelos pontos azuis claros). Isso se deve ao efeito Doppler .
(a ser adicionado para profundidade de água limitada)

Dispersão e velocidade do grupo

c ( L , d )
c ( f , d )

Ondas gravitacionais

Enquanto a velocidade de propagação da onda ( velocidade de fase ) se aplica a todos os tipos de ondas, a relação de dispersão também se aplica às ondas gravitacionais , que contém a profundidade da água como uma variável além do comprimento de onda.

(1)
: Número do círculo
: Aceleração gravitacional

As duas figuras à direita mostram a dependência da velocidade da fase no comprimento de onda ou frequência. Além disso, a dependência da profundidade da água é indicada. As ondas gravitacionais não ocorrem como ondas monocromáticas individuais, mas sempre como uma superposição de ondas com frequências vizinhas. Como resultado, ocorrem pacotes de ondas ou grupos de ondas, que se movem com a velocidade do grupo

(2)

mover-se. Dependendo do sinal do quociente diferencial , a velocidade de grupo é menor, maior ou igual à velocidade de fase. Correspondentemente, é feita uma distinção entre dispersão normal , dispersão anômala e propagação de onda sem dispersão. No caso das ondas gravitacionais, a dispersão é negativa: a dispersão normal está presente (em oposição às ondas capilares).

Aproximação: os comprimentos de onda são pequenos em relação à profundidade da água (ondas de águas profundas)

Para águas com uma profundidade de mais da metade de um comprimento de onda ( ) se aproxima do valor 1 em (1), a velocidade de fase torna-se independente da profundidade da água:

(3) para

ou com c = L / T:

Designa o período com a frequência , segue de (3):

(4)

As ondas longas se propagam mais rapidamente e têm um período mais longo do que as ondas curtas. Em um comprimento de onda de 1 km c é cerca de 142 km / he T cerca de 25 s, em um comprimento de onda de 10 m c é cerca de 14 km / he T cerca de 2,5 s.

A dispersão máxima é:

De (2), a velocidade do grupo é para

Devido a essa relação de dispersão, a composição dos pacotes de ondas muda de tal forma que as ondas mais longas saem da área de sua geração mais rápido do que as mais curtas e, assim, chegam mais cedo em locais distantes . Como as ondas de curto período também são amortecidas em maior extensão, as ondas de tempestade em áreas distantes são percebidas como ondas de longo período .

Aproximação: os comprimentos de onda são grandes em relação à profundidade da água

Em comprimentos de onda maiores que a profundidade da água ( ), fala-se de ondas de água rasas . Com eles, a velocidade de propagação depende apenas da profundidade , mas não do comprimento de onda. Para os pequenos , obtemos de (1)

(5) para .

Quando a água é profunda, essas ondas podem atingir velocidades muito altas. Esta é a razão pela qual os tsunamis se espalharam muito rapidamente em mar aberto. Ao mesmo tempo, a velocidade de propagação é independente do comprimento de onda. Portanto, um pacote de ondas de uma onda de água rasa dificilmente diverge enquanto se propaga. A velocidade da fase é a mesma que a velocidade do grupo:

Ondas capilares

Em comprimentos de onda menores que alguns centímetros, a tensão superficial determina a velocidade de propagação. O seguinte se aplica a ondas capilares :

Isso significa a tensão superficial e a densidade do líquido. A dispersão das ondas capilares é menor que zero e, portanto, anômala

Efeitos de onda

reflexão

Ondas circulares são refletidas na borda e se sobrepõem
Quilha de um navio.
Ondas de água correm paralelas à praia

A reflexão das ondas em ondas progressivas de água significa jogar de volta uma parte de sua energia (energia das ondas ) em uma estrutura ( quebra-mar , paredão , aterro ) ou em locais onde a configuração do fundo do mar natural muda (forte). De acordo com a lei da reflexão em óptica, outra parte da energia das ondas é transmitida simultaneamente e a parte restante édissipada ou absorvidapelos processos de quebra de onda , fricção de fluido e solo, etc., cf. transformação de onda , absorção de onda .

refração

A refração depende da mudança da profundidade da água da direção de viagem das ondas em ondas de água rasa (ondas com comprimentos de onda que são significativamente maiores do que a profundidade da água). É causada por uma velocidade de onda que varia de um lugar para outro, que em ondas de águas rasas depende da profundidade. Em praias com declives suaves, seu efeito significa que as frentes das ondas se dobram cada vez mais paralelas à linha da costa e o observador na praia vê as ondas (não necessariamente quebrando) vindo em sua direção. Tal como acontece com a refração da luz, a lei da refração de Snellius baseada no princípio de Huygens também é aplicável aqui.

Difração

Sob difração está a difração de frentes de onda compreendidas nas extremidades das ilhas ou nas bordas dos edifícios. Tal como acontece com a difração de luz nas bordas, o princípio de Huygens também pode ser usado aqui . No caso das estruturas de proteção ( quebra - mares e píeres ), a difração das frentes das ondas significa que parte da energia das ondas que chegam também fica atrás da estrutura de proteção ou na área de uma entrada do porto que deve ser protegida por toupeiras contra os efeitos das ondas.

Quebrando ondas

A quebra de onda descreve o grau crítico de transformação da onda em que a tensão superficial na crista da onda é superada, omovimento orbital perde sua forma característica e a água emergindo do contorno da onda cai na inclinação frontal. No que diz respeito à geometria, pode-se fazer umadistinçãoentre quatrotipos de britadores .

Exemplos de comportamento das ondas ao atingirem a praia

Exemplo 1 : quebra de ondas

Se uma onda se aproxima de uma margem que sobe lentamente , a velocidade de propagação da frente da onda diminui com a diminuição da profundidade da água. As ondas seguintes rolam sobre a frente da onda até que também sejam desaceleradas. O comprimento de onda diminui, como resultado da conservação de energia, a altura da onda aumenta até a quebra da onda.

Exemplo 2 : refração

Se uma frente de onda se aproxima de um banco de subida lenta em um ângulo inclinado, as ondas diminuem na área plana. Aqueles mais de fora mantêm sua velocidade. Semelhante à refração da luz no vidro, a frente da onda gira até correr paralela à linha da praia.

Ondas de interface

Ondas de superfície em um lago

Nas considerações acima, apenas os parâmetros de um meio são levados em consideração. Essa suposição é justificada para ondas de superfície da água no ar, uma vez que a influência do ar é desprezível devido à baixa densidade.

A versão expandida da equação (3) leva em consideração a densidade de ambas as fases, denotada por e

E para ondas capilares, aplica-se o seguinte:

Ondas especiais

As ondas do surf estão quebrando as ondas perto da praia. Os critérios do quebra-mar determinam a altura máxima possível da onda H (distância vertical entre o vale e a crista da onda) nas zonas de arrebentação (= altura do quebra-mar ). Medições na natureza mostraram que as alturas do britador podem muito bem ser maiores do que a profundidade da água local.

Os tsunamis são desencadeados por maremotos. Eles são caracterizados por um comprimento de onda muito grande e, em alto mar, por pequenas amplitudes de menos de um metro. A velocidade de propagação dos tsunamis segue a relação (5), porque o comprimento de onda de vários 100 km é significativamente maior do que a profundidade dos oceanos. Os tsunamis se espalharam (a uma profundidade média do mar de 5 km) a uma velocidade de 800 km / h. Perto da costa, a velocidade diminui enquanto a altitude aumenta ao mesmo tempo. O dano que eles causam quando atingem costas planas é devastador.

Ondas gigantescas são ondas causadas pela maré .

Na estratificação de água doce leve em água salgada pesada, podem-se observar ondas de superfície, cujos efeitos nos navios são denominados águas mortas . Se um navio entrar na zona, ele pode gerar ondas de proa na superfície da camada de água salgada se o calado for suficiente. É evidente que perde velocidade sem que as ondas de água sejam visíveis na superfície da água.

O Grundsee é uma onda de água curta, íngreme e arrebatadora , cujo vale se estende até o fundo.

Ondas de monstros individuais extremamente altas podem surgir, entre outras coisas, por sobreposição . Ventos fortes e uma corrente na direção oposta favorecem isso. No entanto, de acordo com os modelos descritos acima, a altura máxima de onda possível é limitada. Ao projetar navios, presumia-se, portanto, até a década de 1990, que ondas superiores a 15 m eram impossíveis, ou pelo menos extremamente improváveis. Isso foi refutado pela primeira vez em 1995 por medições ( en: onda de Draupner ). Entretanto, observações de satélite comprovaram a existência de ondas monstruosas com alturas superiores a 30 m, que, vistas à escala global, ocorrem com relativa frequência (diariamente). O mecanismo de sua formação ainda não é totalmente compreendido e é objeto de pesquisas físicas básicas.

Links da web

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literatura

  • Pohl, Introdução à Física
  • Franz Graf von Larisch-Moennich, Sturmsee und Brandung, Verlag von Velhagen e Klasing, 1925
  • Petra Demmler: Das Meer - Wasser, Eis und Klima Verlag Eugen Ulmer, 2011. ISBN 3-8001-5864-7 , Criação de mares ventosos, ondulação, ondas estranhas, ondas gigantes, tempestades e tsunamis; apresentação de ciência popular
  • Fredric Raichlen: Waves. MIT Press Essential Knowledge Series, Cambridge, Massachusetts. 2012, ISBN 0-262-51823-6 .

Evidência individual

  1. ^ Andreas Mielke: Seminário: Mecânica Teórica. (Não está mais disponível online.) Arquivado do original em 3 de janeiro de 2017 ; Recuperado em 3 de janeiro de 2017 .
  2. http://www.bbc.com/earth/story/20170510-terrifying-20m-tall-rogue-waves-are-actually-real
  3. ^ Zoe Heron: Onda arrepiante. BBC Horizon, - 2002 imdb