Волнение

 

Под волновым движением жидкости, в широком смысле понимают процесс передачи внешних возмущений в жидкой среде. Природа внешних возмущений может быть самой разнообразной - действие ветра на водную поверхность, силы притяжения Луны и Солнца, движение тела в жидкости, сейсмические явления, взрывы и т.д. Под действием этих сил частицы жидкости выводятся из состояния равновесия и, в первую очередь, под действием силы тяжести совершают колебательные движения, стремя возвратиться в первоначальное положение.

Колебания и волны являются самым распространенным и универсальным видом движения, присутствующим практически во всех явлениях, происходящих в природе, и изучаемым во всех областях и разделах физики. Волна представляет собой процесс передачи колебательного движения от одной точки среды к другой. В гидродинамике, изучающей волны в жидкости и на поверхности раздела жидкость - воздух, класс волновых движений представлен самыми разнообразными и разномасштабными явлениями, как приливные волны, цунами, сейши, штормовые нагоны, ветровые волны и зыбь, внутренние волны и др.

В зависимости от причин возникновения различают следующие виды гравитационных волн:

· ветровые, обусловленные действием ветра на водную поверхность;

· приливные, развивающиеся под влиянием сил притяжения Луны и Солнца;

· корабельные, возникающие при движении судов;

· анемобарические, связанные с отклонениями водной поверхности при сгонно-нагонных явлениях при изменении атмосферного давления;

· сейсмические, возникающие при разломах или подвижках океанического дна;

· волны от местного импульса (например при обрушении материкового льда и подводном взрыве).

 

Приливные или анемобарические волны проявляются в виде медленного подъёма и спада уровня.

Сейсмические волны образуются в результате заполнения водой разломов в земной коре и носят название «цунами» (от японского - «волна в гавани»). В открытом море эти волны (длина которых достигает десятков, а то и сотен километров) практически не заметны для судов. По мере приближения к берегу и выходе на материковый склон и шельф длина волны цунами уменьшается, а высота при выходе на побережье увеличивается. Наиболее значительное увеличение высоты происходит при входе волны цунами в сужающиеся клинообразные бухты и заливы. Концентрация энергии в этих условиях может приводить к образованию гигантских волн высотой 10-15 м (иногда до 30 м), обладающих громадной разрушительной силой. Последствия воздействия таких волн на побережье всегда катастрофичны. Волны цунами носят случайный характер, поэтому их учет при проектировании гидротехнических сооружений крайне затруднителен и обычно связан с большими затратами при строительстве.

Среди названных видов гравитационных волн наиболее важными для целей морского гидротехнического строительства являются ветровые волны. Размеры и характер ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются скорость, продолжительность и пространственное распределение ветра, а также размеры и глубина водоёма. В связи с этим на реках, за исключением устьевых участков крупнейших рек (Обь, Енисей, Лена и др.) волны не оказывают существенных воздействий на стоянку и обработку судов у причалов. При этом нагрузки и воздействия ветровых волн на сооружения как правило не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 3-4 м, а в прибрежных зонах морей и океанов - 8-10 м.

На основании различных критериев ветровые волны могут быть классифицированы следующим образом.

В зависимости от наличия вынуждающих сил различают вынужденные волны, возникающие в результате действия ветра и свободные (зыбь), вышедшие из зоны действия ветра, а также распространяющиеся после его ослабления или прекращения.

В зависимости от характера движения волны различают прогрессивные и стоячие волны. Стоячие волны характеризуются колебаниями в характерных точках - узлах и пучностях.

По очертанию профиля различают двухмерные (плоские) и трехмерные (пространственные) волны. В отличие от двухмерной элементы трехмерной волны измеряются по всем трем координатам (X, Y, Z).

Волны, в зависимости от устойчивости их параметров, подразделяют на установившиеся и неустановившиеся. В зависимости устойчивости формы во времени различают регулярные и нерегулярные волны.

Основными элементами двухмерной волны являются следующие (рис.5.3.8.):

1) статический уровень - уровень невзволнованной поверхности (спокойного горизонта);

2) профиль волны - линия пересечения статического уровня с взволнованной поверхностью;

3) гребень волны - часть профиля волны, расположенная выше

статического уровня;

4) впадина волны - часть профиля волны, расположенная ниже

статического уровня;

5) вершина и подошва - соответственно наивысшая и нанизшая

точки волны;

6) высота волны (h) - расстояние по вертикали между двумя

смежными вершиной и подошвой;

7) длина () - расстояние по горизонтали между двумя смежными

вершиной и подошвой;

8) период волны (Т) - время прохождения двух последующих вер-

шин или подошв волны;

9) скорость распространения или фазовая скорость волны (С) -

скорость действительного (для прогрессивных волн) или кажу-

щегося (для стоячих волн) перемещения гребня в горизонталь-

ном направлении;

10) крутизна волны ( - отношение высоте волны к длине;

11) пологость волны () - отношение длины волны к высоте;

12) средняя волновая линия, делящая волну на две равные части;

13) фронт волны - горизонтальная линия, проходящая в плане че-

рез вершины гребня;

14) луч волны - линия перпендикулярная фронту волны и направ-

ленная в сторону её распространения.

Рис. Профили и основные элементы регулярных (а) и нерегулярных (б) бегущих волн:1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина волны; 5 – подошва волны; 7 – ложбина волны; h, h₁, h₂, h₃ – высоты волн; - длины волн

 

Наиболее достоверные данные о параметрах волн могут быть получены в результате длительных (в течение нескольких лет) инструментальных наблюдений. При строительстве портовых сооружений проведение такого рода наблюдений как правило затруднительно. В связи с этим параметры волн и их режимные характеристики определяют расчетным методами в зависимости от волнообразующих факторов.

Основными волнобразующими факторами на глубинах, превышающих половину длины волны являются:

· скорость ветра;

· продолжительность его действия;

· разгон (расстояние измеренное в направлении против ветра от расчетной точки до подветренного берега или подветренной границы ветрового поля).

 

Рис. Характерные зоны прибрежной части водоёма:

1. глубоководная, с глубинами превышающими половину длины волны ;

2. мелководная, ограниченная глубиной первого обрушения (за-бурунивания) волн и критической глубиной последнего обрушения ;

3. прибойная, с глубинами ;

4) приурезовая, в которой происходит окончательное разру- шение волн и формирование прибойного потока (наката волн на берег).

В глубоководной зоне дно не оказывает влияния на характер волнового движения. Волны расходуют энергию только на внутреннее турбулентное трение частичек воды. Профиль волны сохраняет симметричную форму.

В мелководной зоне волновое движение проникает до самого дна. Это приводит к изменению как внешней формы волны, так и её внутренней структуры. Длина волны уменьшается, а профиль становится асимметричным. Круговые траектории движения частиц трансформируются в эллиптические с вытянутой горизонтальной полуосью.

В прибойной зоне влияние дна возрастает настолько, что орбитальная угловая скорость движения частиц воды на поверхности значительно превышает аналогичные скорости в придонном слое. Частицы волны на гребне как бы «обгоняют» движущийся профиль волны, асимметрия которого резко возрастает и происходит забурунивание гребня. Траектории частиц приобретают петлеобразную форму с выраженным поступательным движением воды в сторону берега. В зависимости от уклонов дна в этой зоне могут наблюдаться несколько последовательных обрушений волн. В приурезовой зоне происходит окончательное разрушение волн и формирование прибойного потока (наката на берег).