ГЛАВА 14. ВОЛНЫ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ

Прибой, Воды, Волна, Море, Природа, Бирюза, Океан
Изображение Dimitris Vetsikas с сайта Pixabay

§ 55. Физические условия возникновения и развития ветровых волн

Основной вопрос в исследовании ветровых волн состоит в выяснении механизма передачи энергии ветра волне. Энергия, передаваемая ветром водной поверхности, распределяется между колебаниями с разными периодами, различие в которых приводит к интерференции и возникновению групп волн. Сложная динамическая структура ветра, его пульсация по скорости и направлению определяют возникновение широкого спектра волн различной частоты. Механизм передачи энергии ветра волнам рассматривается различно отдельными авторами. Основы для решения этой проблемы заложил В. М. Маккавеев, предложивший использовать уравнение энергетического баланса. Уравнение баланса энергии, предложенное Маккавеевым, имеет вид

Уравнение баланса энергии, предложенное Маккавеевым
(60)

где ∂Е/∂t — изменение энергии волн во времени; υc скорость переноса волновой энергии в направлении распространения волн, равная групповой скорости сгр; х — расстояние, проходимое волной вдоль оси X; Μυ — энергия, получаемая от ветра; Wμ — количество энергии, теряемое вследствие рассеяния (диссипации).

Рис. 26. Схема питания волн энергией ветра (по В. В. Шу¬лейкину).
Рис. 26. Схема питания волн энергией ветра (по В. В. Шулейкину).

Основная роль, по Маккавееву, принадлежит касательному напряжению ветра τ = γρ’ω2, где γ — коэффициент трения между атмосферой и водой, ρ— плотность воздуха и ω скорость ветра.

Передача энергии ветра волне

Существует точка зрения, что передача энергии ветра волне происходит главным образом вследствие разности давления на наветренном и подветренном склонах волны (рис. 26). Этой точки зрения придерживается Шулейкин, который экспериментально исследовал механизм передачи энергии ветра волне и получил выражение для мощности, передаваемой волне нормальным давлением,

мощность, передаваемая волне нормальным давлением
(61)

где А —эмпирический коэффициент; остальные величины сохраняют прежние значения. Из выражения (61) следует, что основная роль в процессе развития волн принадлежит относительной скорости ветра

относительная скорость ветра

Выражение (61) можно представить в виде

мощность, передаваемая волне нормальным давлением 2
(62)

Отношение c/ω=β служит показателем нарастания волн.

Решая вопрос о передаче энергии ветра волне, отдельные исследователи придерживаются точки зрения, что необходимо учитывать и касательное напряжение, и нормальное давление (X. Свердруп, В. Манк, Ю. Крылов и др.), для расчета которых используются формулы, аналогичные предыдущим. Существует много решений уравнения баланса энергии ветровых волн. На их основе разработаны различные методы расчета волн и формулы связи между элементами волн и ветром. На каждой стадии развития волн увеличение энергии, передаваемой от ветра, определяет рост элементов волн, в частности увеличение высоты, длины и скорости распространения. Нарастание длин волн происходит быстрее высот, с чем связано уменьшение крутизны волн. Устойчивые волны существуют при определенной крутизне δ=1/7 / 1/10, после чего начинают разрушаться.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973