17.Капиллярные и гравитационные ветровые волны, их параметры, трохоидальная теория волн зыби.

Ветровое волнение охватывает поверхностный слой. Причина: принцип Гельмгольнца - если две среды с разной плоскостью соприкасаются, то на границе раздела сред происходит сдвиг скорости. Физическая причина волновых колебаний: турбулентная пульсация.

1. Капиллярные волны (рябь) - слабый ветер 2 м/с над идеально гладкой поверхностью. Длина ряби - 13 см. При 3 м/с – длина 5см.Чем больше скорость ветра, тем меньше длина волны ряби. 1,7 см - критическая длина волны ряби., дальше гравитационные волны. Возвращающая сила – сила притяжения земли. Характеризует усиление ветра вплоть до штормов. При затихании ветра превращаются в зыбь.

2. Гравитационные волны. При длине волны ряби 1,7 см вступают в действие гравитационные силы. Гравитационные волны - разновидность волн на воде, при которых сила, возвращающая деформированную поверхность воды к состоянию равновесия, есть просто сила тяжести, т.е. перепад высот гребня и впадины в гравитационном поле. Гравитационные волны на воде не поперечны и не продольны. При колебании частицы жидкости описывают некоторые кривые, т.е. перемещаются как в направлении движения, так и поперёк него. В линеаризованном приближении эти траектории имеют вид окружностей. Это приводит к тому, что профиль волн не синусоидальный, а имеет характерные заострённые гребни и более пологие провалы. Нелинейные эффекты сказываются, когда амплитуда волны становится сравнимой с её длиной. Одним из характерных эффектов в этом режиме является появление изломов на вершинах волн. Кроме того, появляется возможность опрокидывания волны.

3. Зыбь: ветровые волны превращаются в зыбь, когда прекращается ветер. Имеют наиболее правильную форму, обладают двумерной формой. Δ Н – разница между волновой линией и серединой высоты волны, характеризует увеличение потенциальной энергии взволнованной поверхности. Чем сильнее ветер, тем больше высота волны, тем больше Δ Н. Крутизна волны характеризуется отношением её высоты к длине. Если оно равно 20, то волна пологая, если 15(10), то крутая.

Гесснер и Ранкин создали трохоидальную теорию зыби: частицы воды остаются на месте в плане, а волна тем не менее сдвигается. Каждая частичка на поверхности волны за Т совершает круговое вращение по круговой орбите, причем центр остается на том же месте. R – радиус частицы, r – расстояние от центра частицы до того уровня, от которого начинается движение по трохоиде. h=2r, λ=2πR. Крутизна m=2r/2πR=r/πR≤1/3. период τ=λ/c=√2πλ/√g=0.8√λ. скорость c=1.25√λ

Зыбь - Мелкое волнение без ветра на водной поверхности (моря, рек, озер).

18.Ветровые волны, факторы, определяющие их форму и размеры, методы их расчета.

Вынужденные колебания

1. Неравномерность движения частиц воды по орбите. Асимметрия профиля ветровой волны.

2 точка из-за разных скоростей движется по соленоиду.

3. ветровая волна трехмерна (т.е. ветер не дует точно по одному направлению, пульсирует, таким образом меняется фронт и образуется бугор)

Основные факторы, определяющие развитие волнения: 1.скорость ветра (при её увеличении все характеристики возрастают), 2.продолжительность действия ветра, глубина (если она меньше λ/2 идет торможение из-за шероховатости дна, т.е. из круговых орбит - элептические), разгон волны, т.е. удаленность точки наблюдения от берега.

Стадии волнения:

1. Нарастающее: быстро растет высота, длина – медленно, максимальная крутизна от 1/7 до 1/12. Растут период и скорость волны, коэффициент вариации ≈0,5 (отношение отклонения к среднему)

2. установившееся: ветер дует длительное время с постоянной скоростью. Длина, период и скорость продолжают расти. Высота достигает максимума и становится постоянной. Возрастает пологость

3. Затухающее: скорость волны≥0,8*скорость ветра. Уменьшение высоты самых высоких волн, низкие растут. Длина растет. Крутизна больше 0,1. Превращаются в зыбь. Барашки – обрушившиеся вершины волн.

Формула Андриянова: h=0,028*U^5/4*D^1/3 , где h – высота волны, U – скорость волны, D – разгон волны. λ = 0,304U√D

Полуэмпирический метод Браславского:

1. изменчивость направления ветра, 2. рельеф дна, 3. конфигурация водоема, 4. продолжительность действия ветра