что такое крутизна волны
Что такое крутизна волны
Когда волны набегают на мелководье, где глубины менее половины длины волн, волнение претерпевает значительное изменение. Мелководье не влияет на период волн, но это единственная характеристика, которая остается неизменной. Изменяется форма и уменьшаются длина и скорость волны. Гребни становятся круче и уже, а ложбины площе. В результате на поверхности воды видны изолированные волны, а не следующие друг за другом волновые системы.
Пологие волны могут проходить мелководье без обрушения, но при достижении максимальной крутизны гребни будут опрокидываться. Широко известно, что по обрушению волн можно судить о наличии мелководий, которые не обязательно возвышаются над поверхностью воды.
Причина этих изменений — уменьшение скорости волны из-за ограниченной глубины. Это хорошо видно при наблюдении за лодками, плывущими по очень мелкому месту. При движении любой лодки создаются корабельные волны, которые перемещаются со скоростью лодки. На очень мелкой воде скорость корабельной волны ограничена глубиной воды. Иногда корабельная волна становится крутой, тогда она опрокидывается, сильно препятствуя попыткам ускорить движение лодки.
Замедление волн при косом подходе к мелководью приводит к рефракции. Из-за рефракции направление фронта волн, независимо от первоначального угла подхода, разворачивается параллельно берегу. Почти всем хорошо известен вид обрушивающейся гряды волн, движущейся примерно параллельно береговой линии криволинейного залива. Возникает вопрос: «Почему волны не продолжают идти прямолинейным путем, как в открытом море?»
Рефракция вызывается замедлением движения фронта волн при приближении к мелководью. Когда фронт волн подходит под некоторым углом, то вначале тормозится ближайший к берегу участок фронта, а другой его конец в это время идет с прежней скоростью. Постепенно, с уменьшением глубины, внутренняя часть фронта начинает двигаться медленнее, чем внешняя, и наконец весь фронт волн в целом разворачивает к линии берега; это чем-то напоминает поворот шеренги войск, когда внутренний ее конец шагает на месте, а внешний марширует полным шагом.
На рис. 45 показана рефракция волн, бегущих с глубокой воды на внезапно появившееся мелководье. Конечно, в природе между различными глубинами редко имеется четкая граница, но для наших целей этот пример наиболее удобен. Один конец волнового фронта замедляется раньше, чем другой, что, в свою очередь, приводит к уменьшению длины волны на этом участке, и в результате фронт волн частично поворачивает к береговой линии. Общее изменение фронта волн полностью зависит от относительных длин волн на глубокой и мелкой воде (см. также рис. 83 и 84).
На рис. 46 сделана попытка показать подход волн к заливу с постепенно изменяющимися глубинами. Гребни волн (показаны штриховыми линиями), приближаясь к пляжу, стремятся к положению, параллельному линии берега.
Сплошные линии, начерченные на рис. 46 под прямым углом к гребням, показывают генеральное направление движения волн Из рисунка видно, что эти линии немного сходятся около мысов и расходятся в середине залива В месте схождения этих линий можно ожидать более крупные волны. Там, где линии расходятся, волны будут более низкие Это явление совершенно не зависит от наличия волнозащитных сооружений и так же справедливо для залива, открытого волнению
Указанные изменения высот волн имеют большое значение для плавающих вдоль криволинейного берега, на который набегают большие волны. Волны переносят большие массы воды, и при их концентрации около препятствия (такого, как берег) скапливаются излишки воды. Эти излишки уносят течения, идущие от района с более высокими волнами к районам с более низкими волнами. На рис. 47 изображено направление этих течений в заливе, показанном на рис 46. Обычно такие течения слабые и часто замаскированы более сильными приливными потоками, но при определенных условиях эти вдольбереговые течения могут быть достаточно значительными, особенно если волны длинные.
Маловероятно, чтобы волновые течения воздействовали на яхты, так как эти течения проявляются вблизи берега, где яхты обычно не осмеливаются плавать. Однако в слабый ветер, три подходе длинных волн зыби, вдольбереговые течения могут наблюдаться достаточно далеко от берега и их можно использовать во время соревнований. Более того, необходимо помнить, что при наличии препятствий типа пирса или волнолома течение будет усиливаться и может отклоняться в сторону моря.
Парусные лодки, видимо, более подвержены влиянию разрывных, чем вдольбереговых течений. Разрывные течения распространяются гораздо дальше в море, но их сила и даже направление гораздо менее„предсказуемы во всех случаях, кроме движения по подводным каналам.
На глубокой воде волны могут отражаться от препятствий. Отраженная волна идет под тем же углом, что и набегающая, это показано на рис. 49.
Если препятствие, например стенка или откос, расположено под прямым углом к направлению движения волны (или параллельно ее фронту), то волны отражаются точно назад. Отраженные волны накладываются на набегающие, гася их в месте совпадения гребня с ложбиной и увеличивая при совпадении гребней. Образованные таким образом волны известны как стоячие, или толчея.
Одно из наиболее интересных свойств стоячих волн заключается в том, что если фронт набегающей волны и препятствия параллельны, то образовавшиеся стоячие волны имеют только вертикальное движение и не имеют горизонтального, то есть они движутся вверх и вниз, не перемещаясь вперед. Высота стоячих волн в два раза больше набегающих, а поскольку длина одинаковая, то крутизна также в два раза больше.
Разница между обычными и стоячими волнами очень хорошо видна при сравнении движения лодок, пришвартованных к сквозным причалам и сплошным стенкам. В первом случае на. лодки влияет движение волны, и они попеременно дергаются и поднимаются на швартовых, во втором случае лодки поднимаются вверх и вниз почти вертикально, прыгая больше, чем на обычных неотраженных волнах.
При идеальных условиях (когда набегающие волны имеют одинаковые длины) отраженная волновая картина правильная, но обычно такие условия не наблюдаются, и отраженные волны при встрече с набегающими образуют крутые холмы, расположенные беспорядочно — без видимой закономерности или системы. Эта толчея может распространяться на значительное расстояние от препятствия. Плавание на таком волнении оправдано только при обходе сильного встречного течения или существенном сокращении пути, в остальных случаях пребывание в таких волнах является большой ошибкой. При сильном волнении и ветре беспорядочные и крутые волны не только опасны для маленькой яхты. При «подпрыгивании» почти весь ветер «выбьется» из парусов и развернет яхту так, что ее скорость будет весьма незначительна по сравнению со скоростью, которую она могла бы развить при таком же ветре, но менее суровых волновых условиях.
Если волны на глубокой воде ударяются о стенки или береговой обрыв под углом, то волновая картина аналогична показанной на рис. 50.
Набегающие гребни волн (сплошные линии) встречаются с отраженными (штрихпунктирные линии) в различных точках, показанных на рисунке черными кружками. В этих местах высота волн будет равна удвоенной высоте набегающей волны. Между этими пиками находятся впадины (показанные на рисунке белыми кружками), равные удвоенной глубине ложбин набегающих волн. Крайне маловероятно, что в природе картина набегающих волн будет настолько регулярна, как это показано на диаграмме, но принцип сохраняется.
Волны обладают также свойством, известным под названием «дифракция». Из-за дифракции волны после прохождения препятствия типа волнолома разворачиваются под прямым углом к своему первоначальному направлению и распространяются на гладкую до этого поверхность (Обычно дифракцией называют изменение структуры ветровых волн при огибании ими препятствий. Последнее определение не противоречит приведенному автором (Прим перев.)). Например, после входа в гавань волна без всякого отражения веерообразно распространяется по поверхности, защищенной от непосредственного воздействия волн. Когда волна дифрагирована, ее масса распределена на большем пространстве и, следовательно, высота уменьшается.
Наиболее важным свойством дифрагированной волны, огибающей конец стенки или волнолома, является увеличение высоты внутри входа и на прямой линии к нему. На рис. 51, где толщина линии соответствует высоте волн, видны места возможного увеличения высоты и представлена дифракция внутри гавани.
При следовании в порт на попутном волнении важно помнить об увеличении высот волн у краев входа.
Влияние ветра и течения
Течение против ветра
На рис. 52 показаны волны на поверхности воды, где постоянный ветер дует против течения. Тонкими линиями представлены относительно пологие волны (течение слабое), толстыми — более крутые (течение более сильное).
Если течение постоянно, а скорость ветра переменна, то более крутые волны будут наблюдаться там, где сильнее ветер.
Если колебания крутизны волны вызваны различной скоростью течения, то у яхты, идущей в лавировку, обычно лучший ход в районе с крутыми волнами. Здесь может быть единственное исключение — когда встречное влияние очень крутых волн компенсирует преимущество от попутного течения или когда большая крутизна волн заставляет маленькую яхту принимать на борт чрезмерное количество воды и брызг.
При тех же условиях на фордевинде (и, следовательно, против течения) лучше остаться на более пологих волнах и более слабом встречном течении. Единственным исключением из этого правила является случаи, когда яхте, глиссирующей при попутном ветре, помогают более крутые волны. В этом случае дополнительная скорость относительно воды может быть важнее, чем проигрыш из-за более сильного встречного течения.
При следовании в галфвинд через изменчивое волнение редко имеется возможность значительно изменить курс, поэтому прямой курс — обычно самый лучший. Следовательно, в этом случае надо приспосабливаться к окружающей обстановке, но более сильное течение, выталкивая яхту на ветер к более крутым волнам, естественно, позволит уваливаться немного больше и все-таки идти тем же путем. В сильный ветер выбор правильного курса через волны в галфвинд, разумеется, почти целиком зависит от глиссирующих способностей яхты: если ветер направлен незначительно к носу, то для лучшего, чем на спокойной воде (где течение слабое), глиссирования можно позволить более сильному течению вынести лодку на ветер, а не уваливаться от него.
Когда течение идет навстречу ветру, то более крутые волны вызываются более сильным ветром, а не течением, поэтому рекомендация выбора района зависит от типа яхты и общей силы ветра. Если ветер позволяет яхте идти в лавировку с хорошей скоростью, то никакой выгоды от плавания в районе с более крутыми волнами и сильным ветром не будет, так как яхта может достаточно сильно замедляться. Вероятно, на яхте дочти любого типа выгодно держаться гладкой воды, исключением может быть лодка с длинным и узким корпусом с некоторым дифферентом на корму. Если яхта может управляться на полных курсах, то всегда выгодней направляться к более крутым волнам; на галфвинде это выгодно до тех пор, пока волны не начнут затруднять устойчивое глиссирование.
На рис. 53 показаны волны на поверхности воды при постоянном ветре по течению. В отличие от ситуации, изображенной на рис. 52, здесь более пологие волны указывают да сильное течение, а более крутые — на более слабое. С другой стороны, если течение постоянно, а сила ветра изменчива, то при совпадающем с ветром течении более крутые волны образуются при более сильном ветре. Если при ситуации, изображенной на рис. 53, яхта идет в лавировку, то, держась района с более крутыми волнами, она почти всегда получает преимущество от пребывания в менее сильном встречном течении. Такой курс будет невыгоден только при очень крутых волнах, существенно замедляющих яхту и заплескивающих значительное количество воды, но при течении по ветру волны такой крутизны встречаются редко.
При полном курсе постоянным ветром и переменным попутным течением обычно выгодно идти туда, где водная поверхность наиболее гладкая, а течения — более сильные и благоприятные. Исключением является случай, когда в районе с более слабыми течениями крутые волны могут быть использованы для глиссирования или сёрфинга.
В галфвинд при ветре немного к носу, выходя на более крутые волны, выгодно немного привестись, чтобы компенсировать влияние более сильного, идущего по ветру (рис. 53) течения, где волны положе. Однако если на крутых волнах много вторичных волн, которые, вероятно, будут тормозить идущую против них на ветер яхту, то лучше сделать обратный маневр и привестись яа более гладкой воде.
Если на течении по ветру более крутые волны возникли из-за более сильного ветра, а не слабого течения, то от силы ветра зависит, что выгоднее: идти ли в более сильный ветер и крутые волны или в более легкий ветер и гладкую воду. Этот выбор всегда лотерея, и очень многое здесь зависит от типа яхты и ее возможностей: более мощная лодка выиграет от более сильного ветра и на нее не будут столь отрицательно влиять встречные крутые волны. При этих условиях на полных курсах или галфвинде всегда выгодней идти в более сильный ветер и крутые волны, за исключением того случая, когда волны настолько круты, что затрудняют управление яхтой.
Таблица 1
| круче | более сильное течение при постоянном ветре | В лавировку — сильное течение помогает, пока волны не становятся исключительно крутыми. В галфвинд — течение сносит яхту на ветер или позволяет ей идти свободнее. На полных курсах — сильное течение неблагоприятно. |
| более сильный ветер при постоянном течении | В лавировку — в тихую погоду более сильный ветер благоприятен. При сильных ветрах маловероятно, что ветер будет компенсировать встречное влияние более крутых волн. Исключение — для узких и мощных яхт. В галфвинд — более сильный ветер помогает, пока волновые условия не становятся слишком трудными. Позволяет идти тем же курсом, незначительно уваливаясь. На полных курсах — если яхта управляется безопасно, то более сильный ветер помогает. | |
| положе | более слабое течение при постоянном ветре | В лавировку — следует избегать; исключение — поиски более гладкой водной поверхности. В галфвинд — яхта не может сильно уваливаться. Следует избегать (если только не ищешь гладкой воды). На полных курсах — выгодно более слабое течение. |
| более слабый ветер при постоянном течении | В лавировку — избегать, но при сильных ветрах гладкая вода. вероятно, более выгодна, чем сильный ветер. В галфвинд — при не слишком трудных волновых условиях избегать. Для сохранения курса необходимо сильно приводиться. На полных курсах — при слишком трудных волновых условиях избегать. | |
В галфвинд — течение выносит яхту под ветер меньше, чей в районе с пологими волнами.
На полных курсах — невыгодно, но отдельные волны могут быть использованы для сёрфинга.
В галфвинд — дает преимущество до тех пор, пока волновые условия не становятся исключительно суровыми.
На полных курсах — выгодно; исключение — очень сильное волнение.
В галфвинд — течение выносят под ветер. Для сохранения хорошего курса необходимо больше приводиться. Часто невыгодно.
На полных курсах — выгодно, но волны могут быть менее полезны.
В галфвинд — течение выносят под ветер. Для сохранения хорошего курса необходимо больше приводиться. Часто невыгодно.
На полных курсах — выгодно, но волны могут быть менее полезны. более слабый ветер при постоянном течении В лавировку — в легкий или умеренный ветер необходимо избегать. В штормовых условиях может облегчить преодоление очень высоких волн и сильного ветра.
В галфвинд — избегать, исключение — очень суровые и тяжелые условия плавания.
На полных курсах — избегать, исключение — очень трудные условия плавания.
| При очень слабом ветре скорость течения может превышать скорость ветра, тогда гладкая вода может указывать на более слабое течение, идущее почти со скоростью ветра, а поверхность, покрытая рябью, — на быстрое течение, превышающее скорость ветра. Лучшие курсы: |
В табл. 1 сделана попытка проанализировать причины неодинаковых волновых условий и их влияние на яхты, плывущие различными курсами. При использовании этой таблицы следует помнить, что она может быть только вспомогательной; составление каких бы то ни было строгих и определенных правил невозможно и нежелательно. Различные типы яхт могут существенно неодинаково реагировать на изменения крутизны волн и силы ветра. Необходимо подчеркнуть, что волновые условия, представленные в первой графе таблицы, являются относительными, то есть состояние волн в одном районе сравнивается с волновыми условиями в соседнем районе; следовательно, в первой графе показаны не фактические размеры волн.
Беспорядочное волнение и смена прилива
Значительное увеличение беспорядочного волнения, которое иногда происходит при повороте приливного течения против ветра, частично связано с эффектом изменения скорости вымпельного ветра над поверхностью воды. Необходимо помнить, что если ветер в 10 узлов дует по течению скоростью 3 узла, то скорость вымпельного ветра относительно воды будет только 7 узлов. Но если тот же самый ветер в 10 узлов дует против течения скоростью 3 узла, то скорость вымпельного ветра будет 13 узлов. Разница в скорости ветра относительно поверхности воды (вымпельный ветер) на приливных и отливных течениях будет в этом случае существенна — 6 узлов.
Подчеркнем, что всегда необходимо выделять возможные причины увеличения крутизны волн и избегать поспешных выводов. Беспорядочность волнения из-за мелководья нельзя путать с волнением, вызванным взаимодействием ветра и течения, это может привести к печальным последствиям.
Влияние масла на волны
Заканчивая главу, необходимо упомянуть о влиянии масляных пленок на поверхность воды. К сожалению, в некоторых местах плавание через загрязненную маслом воду обычно. Общеизвестно также, что в случаях крайней необходимости на судах, в частности на маленьких яхтах, масло может использоваться для изменения влияния угрожающе опасных обрушающихся волн. Правда, в наше время этот прием используется редко.
Масло, даже при очень тонкой пленке, заметно сглаживает поверхность воды, а при слабых ветрах полностью препятствует появлению ряби. Это необходимо помнить при гонках в районах, где на поверхности может встречаться масло, так как при поисках ветровых полос или признаков течений масло может придать поверхности воды обманчивый вид. Обычно масло ограничивает образование крутых волн и препятствует их обрушению. Если о наличии пятен масла неизвестно, то в легкую гоночную погоду вид водной поверхности может легко запутать яхтсмена. Поэтому, если есть хоть какие-то основания предполагать наличие масла, это необходимо принять во внимание при планировании тактики соревнования.
На круизных или океанских гоночных яхтах масло для усмирения обрушающихся волн используется редко, но в большинстве книг по мореплаванию и во многих официальных и полуофициальных публикациях утверждается, что при умелом использовании в некоторых обстоятельствах масло может оказать несомненную помощь. Наша книга — не руководство по мореплаванию, поэтому мы не приводим подробностей. Достаточно сказать, что наибольшее влияние оказывает масло на волны на глубокой воде. При прибое на мелководье оно хотя и помогает, но, конечно, не препятствует обрушению больших волн. Для хорошего эффекта можно использовать почти любой сорт масла, вполне подходит смазочное. Масло должно распространяться на ветер от района, который хотят сгладить, при этом эффективны даже весьма малые количества.
На быстроходных судах периода второй мировой войны при сложных условиях на палубе масляные мешки выбрасывались за борт, а масло выпускалось через отверстие гальюна. Обычно относительно вытекающего масла судно дрейфует по ветру, ощущая влияние масла, распространяющегося на ветер.
Однажды при больших волнах, набегающих на берег, я использовал масло для входа в довольно узкий проход в рифе Средиземного моря. Масло распространялось от рифа в сторону моря и на некоторое расстояние на ветер, что позволило сдрейфовать в проход. Результат был очень впечатляющим.
Что такое крутизна волны
Приложение 1. Теория волн и данные наблюдений. К.Стюарт.
Едва ли найдется человек, который не представляет себе, что такое волны, но волны, как и люди, бесконечно разнообразны, измерить одну в беспорядочной последовательности штормовых волн все равно, что различить лицо в толпе. Однако волны, как и люди, различаются по внешнему виду и характеру поведения. Если их понять, то можно рассчитывать и прогнозировать волнение.
Исследованиям, выполненным за последние годы учеными разных стран, посвящена обширная научная литература. Здесь мы приводим лишь некоторые простейшие сведения и даем их теоретическое объяснение. Как правило, данные относятся к «идеальным» волнам, т. е. волнам простейшей формы. В природе к «идеальным» волнам близки по форме и регулярности волны зыби, наблюдаемые в безветренные дни.
На рис. 45 определены элементы ветровой волны: длина 
, высота h, период 
и скорость c.
Рис. 46. Три типа волны.
Для описания «идеальной» волны (рис. 46) обычно используется синусоида, трохоида или циклоида. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Считается, что гребни ряда или последовательности таких волн параллельны друг другу. В море волнение складывается из волн различных периодов, высот и форм, кроме того, две или три системы волн могут пересекаться.
Зависимость между скоростью, длиной и периодом волны.
На глубокой воде, где дно не влияет на элементы волны, 
или 
, следовательно, 
. На рис. 47 для глубокой воды показано соотношение между длинами волн и их скоростью в зависимости от периода. (Если необходимо определить скорость волн в узлах, то с небольшой погрешностью можно считать, что численно 
.)
Рис. 47. Зависимость между периодом, длиной и фазовой скоростью волны.
Волна на глубокой воде. Говорят, что волна находится на глубокой воде, если глубина места (Н) больше половины длины волны. (Такая волна почти не «чувствует» дно.)
Волна в зоне обрушения. Если глубина составляет около 1/25 длины волны, то считается, что волна находится в зоне обрушения (чаще полагают, что волна находится в зоне обрушения, когда глубина становится равной 1/10 длины волны) (фактически волна начинает «чувствовать» дно, когда глубина составляет половину длины волны).
Волна в зоне влияния мелководья, или промежуточной зоне, где глубина места составляет от 1/2 до 1/25 длины волны.
Период волны не зависит от глубины, а скорость при переходе волны на мелководье падает, поэтому уменьшается длина и скорость волны. Таким образом, в промежуточной зоне:
и 
.
Можно показать, что на мелкой или очень мелкой воде скорость волны выражается очень простым соотношением: 
. Заметим, что скорость волны на мелкой воде не зависит от длины (или периода), а зависит только от глубины места, на котором распространяется волна.
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ВОЛНЫ
Хотя малое судно обычно находится в верхнем слое воды, некоторые сведения о внутреннем строении волны также полезны.
Теоретически при перемещении формы волны масса воды не перемещается. Если понаблюдать за движением небольшого поплавка в волне, то можно заметить, что он перемещается по замкнутой орбите, расположенной в вертикальной плоскости. Амплитуда вертикальных колебаний поплавка равна высоте волны, амплитуда горизонтальных колебаний поплавка также равна высоте волны, хотя это и не столь очевидно. Теоретически орбитальное движение поплавка происходит по окружности; в действительности орбита обычно представляет собой петлеобразную кривую, поскольку масса воды незначительно перемещается вперед.
Из рис. 48 видно, что частицы воды перемещаются вместе с волной на гребнях и против волны в ложбинах, кроме того, движение частиц быстро затухает с глубиной. На глубине, равной длине волны (или даже ее половине), оно настолько мало, что им можно пренебречь.
Рис. 48. Схема движения частицы воды в волне на глубокой воде.
В результате поступательного движения частиц воды небольшая лодка, идущая по волне, находится на гребне дольше, чем на подошве. Теоретически маленькая моторная лодка, идущая со скоростью 9,5 узлов, на гребне регулярной волны высотой 1,5 м и периодом 4 с увеличивает свою скорость относительно дна более чем на 2 узла. Конечно, при следовании против волны скорость относительно дна уменьшается (более подробно о движении малых судов на волнении см. в приложении 12).
Жизненный цикл волны состоит из стадии ее зарождения под действием ветра, постепенного роста до максимальных размеров в зависимости от некоторых ограничивающих факторов, распространения через море, где при отсутствии ветра она становится зыбью.
В отличие от ветровых волн зыбью называют волны, пришедшие из области волнообразования в другую область. Зыбь легко опознать, если нет ветра, но она способна распространяться и поперек ветра, который создает новую систему волн. При движении зыби из района зарождения ее высота уменьшается, и она может стать почти незаметной, пока не достигнет мелководья вблизи берега.
Кривые, или графики (см. ниже), для прогноза характеристик волн составлены для ветровых волн, возникших под действием местного ветра, а не для зыби. Если две простые волны синусоидальной формы накладываются одна на другую, то общая высота равна сумме их высот, однако при определенных условиях точнее считать, что суммарная высота двух волн равна 
.
Высота и период волны, образовавшейся на глубокой воде под действием ветра, зависят от трех условий: средней скорости (или силы) ветра, продолжительности (или времени) действия ветра, разгона ветра, т. е. протяженности (против ветра от наблюдателя) района, над которым дует ветер.
Длина разгона, конечно, может быть ограничена наличием суши, а при ветре в открытом океане разгон не обязательно будет бесконечным.
На рис. 49 показаны высоты волн в море, над которым от берега дует ветер постоянной силы. Отметим две особенности развития волн. Во-первых, в начале разгона высота волн меньше, чем в конце; во-вторых, через некоторое время (которое зависит от длины разгона) волны достигают максимальной высоты. В рассматриваемом примере предполагается, что ветер скоростью 30 узлов дует три часа, на разгоне 33 мили от суши волны достигли максимальной высоты и не будут увеличиваться, как бы долго ни дул этот ветер.
Рис. 49. Рост и максимальная высота волн в зависимости от разгона и продолжительности действия ветра средней скоростью 30 узлов.
Рис. 50. Последовательность волн (внизу), образованная наложением двух волновых систем с незначительно различающимися периодами.
Точно так же растет и достигает максимума период волн.
Смысл термина максимальная высота волны (h max) требует некоторого пояснения, так как в некоторых случаях высота волны может быть больше максимальной. Дело в том, что высота волны, определенная по номограммам (см. рис. 52), является максимальной, которую ветер определенной силы может развить при заданном разгоне в течение некоторого времени; однако за это время составляющие в последовательности волн могут совпасть по фазе и при наложении образовать волны гораздо большей высоты. Со временем вероятность появления волны большей высоты возрастает; таким образом, проблема становится статистической и не зависит от методов прогноза.
Рис. 51. Записи волнения, полученные в заливе Уэймут. (Воспроизводится с разрешения Гидравлической исследовательской станции Министерства технологии, Уоллингфорд.)
Иногда встречается термин «значительная высота волны». Под этим понимается средняя высота высоких волн, точнее, средняя высота одной трети наибольших волн.
ПРОГНОЗ ВЫСОТ И ПЕРИОДОВ ВОЛН.
Кривые для прогноза высот и периодов волн (рис. 52) построены по данным записей волн, полученных с помощью волнографов за несколько лет на судах погоды и проанализированных в Институте океанографических наук (одно из старейших учреждений Великобритании, занимающееся изучением Мирового океана) (аналогичные кривые получены Бретшнайдером и другими в США)
Рис. 52. Кривые для расчета максимальных высот волн (а) и периодов значительных волн (б). Построены М. Дарбишайр и Л. Дрейпером. (Воспроизводится с разрешения Института океанографических наук, Уормли.)
Чтобы определить максимальную высоту волны или значительный период, необходимо на соответствующей номограмме найти точку пересечения горизонтальной прямой средней скорости ветра с вертикальной прямой разгона или с кривой продолжительности действия; точка первого пересечения соответствует расчетной максимальной высоте волны или значительному периоду.
Аналогичные кривые построены для прибрежных вод по данным записей на плавмаяках в Северном и Ирландском морях. Между кривыми для океана и для прибрежных вод имеются различия но они не очень существенны и поэтому не представляют интереса для яхтсменов. Однако следует отметить, что при одних и тех же разгонах в прибрежных водах, как правило, образуются более короткие и высокие волны, чем в океане. Когда в прибрежных районах с малыми уклонами дна волны перемещаются на еще меньшую глубину, дно поглощает часть энергии волн и их высота немного уменьшается. Но при внезапном изменении глубины высота волны возрастает, уменьшается ее длина, следовательно, крутизна волны возрастает.
ДРУГИЕ СВОЙСТВА ВОЛНЕНИЯ.
Некоторые максимальные высоты волн.
Влияние течений и мелководья на высоту волн
В Скриппсоновском океанографическом институте в США исследовалось воздействие встречных течений на волны и было показано, что высоты волн, приходящих в район со встречными течениями скоростью всего 2-3 узла, могут увеличиваться на 50-100%. Такие волны обрушиваются даже при отсутствии сильного ветра.
Необходимо также отметить, что волны, приливный сулой и толчея могут создаваться даже при отсутствии ветра за счет гидравлических эффектов при встрече сильных течений с препятствиями на дне моря.
Существенно влияет на высоту волн мелководье. На мелкой воде высота приходящей волны вначале начинает увеличиваться, и, когда отношение глубины к длине волны составит около 1/100, высота увеличится примерно на 50%. Например, низкая зыбь с периодом 10 с и высотой 0,6 м на глубокой воде может иметь высоту 0,9 м на глубине 1,5 м. Однако прежде чем увеличиться, волны неожиданно уменьшаются, на глубинах между 1/4 и 1/10 высоты волны уменьшение составляет около 10% от первоначальной высоты на глубокой воде.
Для волн определенного периода, как правило, существует предельная высота, после достижения которой происходит обрушение гребня. Теоретически на глубокой воде обрушение происходит, когда отношение высоты волны к длине несколько меньше 1/7; практически обрушение наблюдается при отношении 1/14. (Заметим, что некоторые участки волны могут быть еще круче. Для характеристики крутизны не волны в целом, а отдельны» ее участков используется понятие уклона.)
На гребне обрушивающейся волны вода в некоторый момент должна двигаться быстрее самой волны; для волны с периодом 10 с это означает абсолютную скорость более 30 узлов.
На мелководье более существенно отношение высоты волны к глубине, от которого зависит, будет опрокидываться волна или нет. Теоретически это отношение равно примерно 1:1,25. Однако на обрушение волн на мелкой воде влияют и другие факторы или явления, такие, как течения и возможные эффекты фокусировки при рефракции.
Рефракция, или искривление фронта волны при переходе под углом с одной глубины на другую, имеет аналогию с искривлением световых лучей при прохождении через более плотную среду. Например, если волны с открытого моря подходят под углом то участок фронта волны, подошедший к мелководью замедляется (вследствие уменьшения длины волны), остальная же часть фронта волны, которая все еще находится на глубокой воде, сохраняет свою относительно более высокую скорость пока в свою очередь не достигнет более мелкого места (рис. 53а и 53б).
Рис. 53а. Схема (масштаб не выдержан) искривления волновых лучей вследствие рефракции при подходе под углом к прямолинейному берегу или входе в залив.
Рис. 53б. Схема (масштаб не выдержан) рефракции волн при огибании острова округлой формы.
Волны большей длины (т. е. большего периода) начинают рефрагироваться раньше, чем волны меньшей длины. Поэтому когда волны с очень глубокой воды (где обычно имеется очень широкий набор периодов) заворачивают в залив, то в разных частях залива наблюдаются волны различных периодов. Этот эффект наиболее заметно проявляется на огражденных якорных стоянках, где часто обеспечивается хорошая защита от местных штормов и сильного волнения, а длиннопериодная зыбь, которая при рефракции легко огибает мыс или волнолом, чувствуется достаточно сильно. Примерами защищенных якорных стоянок, где встречается крупная мертвая зыбь, являются бухта Косзнд около Плимута и залив Сент-Айвс на северном побережье полуострова Корнуолл.
Явление дифракции часто путают с рефракцией, так как искривление фронта волны при огибании волнолома или обрывистого мыса такое же, как при рефракции над мелью или косой. Дифракция не зависит от глубины, это просто поворот гребня волны в зону, защищенную от непосредственного проникновения волн.
На рис. 54 схематически показано распространение фронта волны после дифракции у волнолома.
Интересно отметить наличие на незащищенной поверхности непосредственно за головой волнолома линии, вдоль которой высота волн увеличивается; по обе стороны от нее находятся волны меньшей высоты.
Рис. 54. Схема (масштаб не выдержан) искривления фронта волны и изменения высоты волны вследствие дифракции при прохождении волнолома.
Отраженные и стоячие волны.
Хотя отраженные и стоячие волны в открытом океане не встречаются, их следует остерегаться при подходе к убежищам. Умеренное волнение обычно поглощается дном с уклоном приблизительно 1:3, но чем длиннее волны, тем легче они отражается от данного склона. От вертикальной или почти вертикальной стенки может произойти полное отражение, тогда на некотором участке возникает система стоячих волн. В таком месте имеются очень высокие волны, в два раза выше, чем набегающие (прогрессивные) волны, и очень низкие волны. Полосы высоких и низких волн образуют узлы и пучности, расстояние между пучностями или узлами равно половине длины волны.
Рис. 55. Образование стоячей волны вследствие отражения волны от неподвижной стенки.
На рис. 55 показана система стоячих волн, образованная при отражении волны от стенки. Если стенка не прямая, а искривленная относительно фронта волны, то возможна «фокусировка» отраженных волн (так же, как световых) и образование очень сильного волнения. Более того, если волны подходят к волнолому под углом, то при их отражении образуются пересекающиеся системы волн.