Fala
Rozmiary fal wahają się od ułamka cala dla małych fal kapilarnych, do fal sztormowych sięgających 30 i więcej metrów (100 stóp). Fale są bardziej złożone, niż się to pozornie wydaje.
Fala to przekaz energii poprzez materię. Gdy energia przenosi się przez materię jako fala, materia porusza się w przód i w tył lub obraca się, ale potem wraca do pozycji wyjściowej. Następnie energia przechodzi do materii sąsiadującej itd. Na przykład, wyobraź sobie kamień wrzucony do stawu. Zmarszczki na wodzie rozchodzą się coraz dalej od miejsca upadku. Nie rozchodzi się jednak woda, a jedynie energia. Gdy widzisz zmarszczenia na wodzie, widzisz energię poruszającą się jako seria fal od miejsca zaburzenia jako fala postępująca (ang. progressive wave). Fala nazywa się „postępująca”, ponieważ widać postęp energii od jednego punktu do drugiego.
Są trzy typy fal postępujących:
Charakterystykę fali można wyrazić matematycznie. Jest to pożyteczne, ponieważ pozwala ci obliczyć zachowanie fali na podstawie informacje, które posiadasz. H:L to stosunek wysokości fali do jej długości. Jeśli znasz długość fali (L wyrażone w metrach) i okres (T czas w sekundach), możesz wyznaczyć szybkość (S w m/s) idealnych fal wody głębokiej, czyli fal w dostatecznie głębokiej wodzie, tak by dno nie wpływało na fale. Można to wyrazić wzorem:
szybkość = długość fali/okres czyli S = L/T
Pamiętaj jednak, że to równanie, choć przydatne, nie bierze pod uwagę innych czynników, które wpływają na szybkość fal na głębokich wodach, ani szybkości fali, gdy wejdzie na płytsze wody.
Spis treści
Przyczyny powstawania fal i ich charakterystyka
Przyjrzyjmy się teraz przyczynom powstawania fal i ich zachowaniu w świecie rzeczywistym. Siły zaburzające wywołują fale, a siły przywracające (ang. restoring forces) opierają się im. Natężenie i czas trwania siły zaburzającej oraz oddziaływanie sił wzmacniających dają charakterystykę fal.
Ciecz dąży do pozostania w spoczynku. Porusza się jedynie, gdy przekazana jest jej energia, czyli gdy coś ją zaburzy. Te siły zaburzające, które wywołują fale oceaniczne, obejmują wiatry, siły grawitacji i aktywność sejsmiczną. Wiatr to najpowszechniejsza siła zaburzająca, gdy przechodzące powietrze trze o powierzchnię wody. Zmiany grawitacji wywołują fale, których zapewne nie traktowałeś jako fale, a mianowicie przypływy i odpływy. Ich charakter odróżnia je znacząco od innych fal, dlatego rozpatrzymy je osobno. Aktywność sejsmiczna obejmuje trzęsienia Ziemi, erupcje wulkaniczne, które z kolei powodują tsunami.
Każdy rodzaj sił zaburzających produkuje fale o innej długości. Wiatry najczęściej tworzą fale o długości od około 60 do 150 m. Długość fali pływów jest porównywalna z rozmiarem basenu oceanicznego, a fale tsunami mają długość około 200 km.
Grawitacja jest główną siłą przywracającą dla dużych fal i fal sejsmicznych. Grawitacja dąży do spłaszczenia fali poprzez ściąganie jej z powrotem do poziomu wyjściowego. Ponieważ długości fal są bardzo duże, grawitacja i siła Coriolisa to dwie główne siły przywracające dla zjawiska pływów. Napięcie powierzchniowe (ang. surface tension) jest ważną siłą przywracającą dla najmniejszych fal, tzw. fal kapilarnych, których długość wynosi około 1,7 cm lub mniej. Napięcie powierzchniowe wywołane jest silną polarną naturą wiązań wody, co przeciwdziała zaburzaniu powierzchni.
Możesz klasyfikować fale na podstawie tego, która siła przywracająca jest najbardziej efektywna. Fale kapilarne są tak sklasyfikowane, ponieważ główną siłą przeciwną im jest napięcie powierzchniowe. Fale kapilarne tworzą się jako pierwsze, gdy nad spokojną wodą powieje wiatr. Jednak, gdy fale stają się większe, napięcie powierzchniowe staje się względnie mało znaczące jako główna siła przywracająca. Grawitacja, ciężar fali, przejmuje kontrolę, dlatego duże fale nazywamy falami grawitacyjnymi.
Chociaż siły zaburzające mogą być nieco przypadkowe w natężeniu, czasie trwania oraz miejscu powstawania, fale mają tendencję do organizowania się w układy. Fale, które jeszcze nie są tak zorganizowane, płyną z różną szybkością. Najdłuższe fale przeganiają mniejsze. W końcu jedynie fale o podobnej długości płyną razem. Jest to rozkołys (ang. swell), który jest po prostu podnoszeniem i opadaniem jednakowego układu fal na morzu.
Grupy fal rozkołysu o podobnej charakterystyce mają tendencję to płynięcia razem w zespole (ang. wave trains). Pierwsza fala w zespole stopniowo wytraca energię, którą przejmują nowe fale powstające w podążającej części zespołu. Gdy fala prowadząca ulega rozproszeni, powstają następne fale i dołączają do zespołu. Cały zespół porusza się z połową szybkości pojedynczych fal przez cały proces rozpraszania i odbudowywania. Gdy zespół fal osiąga wody płytkie, prędkość grupowa i indywidualna stają się takie same. Dzieje się tak ponieważ głębokość wpływa na charakterystykę fal, prowadząc do pojęcia fal wód głębokich i fal wód płytkich.
Fale wód głębokich pojawiają się tam, gdzie woda jest głębsza niż połowa długości fali. Ruch wody w fali orbitalnej maleje bardzo szybko wraz z głębokością. Jeśli woda jest głębsza niż połowa długości fali, wówczas nie ma oddziaływania fali z dnem, które może wpłynąć na charakterystykę fali. Ryba płynąca na 20 metrach nie zauważy efektu fali przechodzącej nad jej głową, jeśli fala ta ma długość 40 m lub mniej. Ponieważ dno nie wpływa na fale wód głębokich, ich ruch orbitalny postępuje w sposób niezakłócony.
Gdy woda jest płytsza niż 1/4 długości fali, dno tworzy opór, który wpływa na ruch orbitalny. To prowadzi do spłaszczenia ruchu kołowego w ruch eliptyczny. Gdy głębokość wynosi około 1/12 długości fali, fala staje się falą wód płytkich. Na głębokości między 1/2 a 1/12 długości fali, fale są przejściowe, postępując od charakterystyki głębokowodnej do płytkowodnej.
W tym samym czasie mogą istnieć fale wód głębokich i fale wód płytkich. Dobrym przykładem jest olbrzymia fala stworzona przez pływy. Z definicji jest to zawsze fala wód płytkich, ponieważ długość fali jest porównywalna z rozmiarem basenu oceanicznego. Aby pływy były falami wód głębokich, ocean musiałby mieć większą głębokość niż średnica Ziemi! Wiatr tworzy fale, które mogą być falami wód głębokich na szczycie pływów. Fale kapilarne są niemal zawsze falami wód głębokich, ponieważ woda musi być w miejscu ich występowania głęboka jedynie na 0,9 cm.
Jak zaznaczono wcześniej, fale wiatrowe rosną na skutek tarcia z powietrzem, które transportuje energie do wody. Gdy fala rośnie, wystawia na wiatr coraz większą powierzchnię, pozwalając na większy przepływ energii. Trzy czynniki, które powodują wzrost fali to szybkość wiatru, czas trwania i rozbieg (ang. fetch).
Szybkość wiatru jest ważna, ponieważ aby oddać fali energię, wiatr musi być od niej szybszy. Czas trwania wiatru to czas, kiedy wiatr wieje w jednym kierunku. Nawet wiatr o dużej prędkości nie wywoła dużych fal, kiedy czas jego trwania jest krótki lub kierunek często i znacząco się zmienia. Rozbieg to powierzchnia, na której wieje wiatr. Z kolei na małym stawie nigdy nie powstaną duże fale, nawet jeśli szybki wiatr będzie wiał wiele godzin, ponieważ nie ma tam dostatecznej powierzchni, aby przenieść wymaganą energię do stworzenia dużych fal.
Połączenie tych trzech czynników daje maksymalny teoretyczny rozmiar fal. Powyżej tego teoretycznego maksimum, siły zaburzające i siły przywracające równoważą się, nie pozwalając na dalszy wzrost fali. Gdy powierzchnia osiąga maksymalny rozmiar, nazywamy ją w pełni rozwiniętym morzem (ang. fully developed sea).
Przy działaniu wszystkich tych czynników jako niezależnych zmiennych, czyli szybkości wiatru, czasu trwania i rozbiegu, w pełni rozwinięte morze występuje nie tylko na dużym morzu. Średnia wysokość fal dla w pełni rozwiniętego morza sięga od 1/4 m do około 15 m.
Tak jak w przykładzie z małym stawem, te trzy czynniki również wpływają na największe fale, które mogą istnieć na oceanie. Pamiętaj, że ocean ma duże, niczym nieblokowane, połacie wody, nad którymi mogą rozwinąć się fale wiatrowe. Może jest to zaskakujące, ale czasem fala może być większa niż maksymalny teoretyczny rozmiar dla w pełni rozwiniętego morza. Naukowcy uważają, że takie fale (ang. rogue wave) są wynikiem oddziaływania między dwoma bliskimi zespołami fal (ang. wave trains). Kiedy z różnych powierzchni zejdą się zespoły fal, oddziałują na siebie nawzajem konstruktywnie lub destruktywnie. Jeśli fale są w jednej fazie, grzbiety i doliny pokrywają się a wysokości fal łączą się, tworząc większą wspólną falę. Również nadzwyczajnie duże fale mogą być wynikiem fal, które biegną w przeciwną stronę niż prąd, co powoduje wyostrzenie fali. Ten drugi mechanizm jest prawdopodobnie częstszym powodem bardzo dużych fal (ang. rogue wave).
Jeśli zespoły fal są nie w fazie, tak że grzbiety jednego zespołu pokrywają się z dolinami fal drugiego, fale znoszą się wzajemnie. Jednak ani konstruktywna, ani destrukcyjna interferencja nie mogą działać na odległość większą niż kilka długości fal. Dlatego na przykład interferencja destruktywna nie może powodować względnie spokojnego morza w czasie silnych wiatrów.
Stosunkowo rzadko razem występują zsynchronizowane zespoły fal o takiej samej długości. Najczęściej są one wzajemnie nieco przesunięte w czasie, co prowadzi do tego, że oddziałujące zespoły zazwyczaj są na przemian konstruktywne i destruktywne. Skutkuje to morzem mieszanym z cyklami dużych i małych fal. Widziałeś zapewne przybój, który zmienia się cyklicznie od okresu spokoju, następnie powstaje duża fala, a następnie cofa się, i tak w kółko. Jest to efekt dwu nieco różnych zespołów fal idących razem.
Przybój i załamanie fal
Jeśli kiedykolwiek byłeś na plaży, widziałeś zapewne fale, które załamują się i tracą energię jako przybój (ang. surf). Czy myślałeś kiedykolwiek, jak fale się załamują? W wodach głębokich fale załamują się, gdy stosunek H:L przekracza 1:7. Czyli gdy wysokość przewyższa 1/7 długości fali, fala załamuje się jako grzywacz (ang. whitecap). Ten sam stosunek jest prawdziwy dla wód płytkich, choć w wyniku innych procesów.
Fale wód głębokich stają się przejściowe, gdy wkraczają na wody, które są płytsze niż połowa długości fali. W tym punkcie dno zaczyna oddziaływać na fale. Gdy ta porusza się w kierunku brzegu, ruch orbitalny spłaszcza się, stając się eliptycznym. Oddziaływanie z dnem spowalnia falę, zmniejszając jej długość i kumulując jej energie w ciaśniejszy obszar. To powoduje wzrost wysokości fali.
Gdy fala nadal zbliża się w kierunku brzegu, jej długość nadal spada, a wysokość wciąż rośnie, co powoduje zbliżanie się do stosunku H:L równego 1:7. Fala przekracza wartość 1:7, gdy głębokość jest 1,3 razy większa od wysokości fali. Ponieważ grzbiet fali biegnie teraz szybciej niż jej dolina i ponieważ wysokość fali jest większa niż 1,7 razy jej długości, fala staje się niestabilna. Niestabilność powoduje, że fala załamuje się, a jej grzebień przewraca się w przód.
Są trzy podstawowe typy załamania fal. W falach plunging breakers grzbiet fali zawija się na szczycie, wylatuje w górę, a następnie spada na dno. Pojawiają się na średnio stromych plażach, które szybko spowalniają nadchodzące fale, tak że szczyt fali dosłownie leci przed jej podstawą. Fale spilling breakers pojawiają się na łagodnie pochylonych plażach. Szczyt fali gwałtownie opada i przesuwa w dół czoło fali, a ta powoli wytraca prędkość. Fale surging breakers występują na bardzo stromych plażach, które są niemal jak ściany wyrastające z głębokiej wody. Ponieważ nie ma tam kontaktu fali z dnem (lub jest bardzo mały), fale nie spowalniają, ale napływają praktycznie niezałamane. Ponieważ nie wytracają energii po drodze, fale te mogą być bardzo niszczycielskie.
Jeśli nurkujesz w przyboju, pamiętaj, że różne typy fal wymagają różnych technik, a charakterystyka każdej z nich ma swoje plusy i minusy. Fale plunging breakers mogą być trudne do pokonania, ponieważ rozbijają się na tobie, ale ich dobrą stroną jest krótka strefa przyboju i jeśli dobrze trafisz, możesz je szybko przepłynąć.
Najczęstszą przyczyną falowania jest tarcie wiatru o powierzchnie wody. Fale surging breakers są bardzo silne i mogą rzucić cię na ściany czy skały, ale możesz je wykorzystać jako windę, która wyniesie cię na brzeg.
Załamanie, ugięcie i odchylenie
Poprzedni opis przyboju jest w pewnym stopniu wyidealizowany, ponieważ zakłada, że fale uderzają w brzeg pod kątem prostym. W rzeczywistości rzadko się tak zdarza. Na zachowanie fali wpływają załamanie, ugięcie i odchylenie.
Ugięcie fali pojawia się, gdy fala przechodzi przeszkodę, np. molo. Energia w fali przesuwa się, pozwalając na uformowanie nowego wzoru fali za przeszkodą. Ugięcie jest tym, co pozwala bardzo wzburzonemu morzu rozkołysać przystanią, która w innych warunkach jest dobrze chroniona. Fale ugięte po przejściu przez kanały między wyspami mogą zmienić wzór fali daleko od brzegu.
Odbicie pojawia się, gdy fale uderzają w ostrą, niemal prostopadłą przeszkodę w wodzie, np. falochron. Fala zachowuje większość swojej energii i odbija z powrotem w kierunku otwartej wody. Energia fali odbitej może odbijać się po wnętrzu zamkniętego obszaru, tworząc złożone wzory fal. Dobrym przykładem jest kształt, który otrzymujemy po pojedynczym wrzuceniu czegoś w nieruchome wody basenu. Pojedynczy układ fal oddala się od centrum, ale gdy dojdzie do ściany basenu, odbija się i w innym kierunku porusza się jako nowy układ fal. W tym samym czasie inna strona fali dosięga innej ściany i dzieje się to samo. Wkrótce nie można już rozróżnić kształtów, bo odbite fale oddziałują a koleje ulegają odbiciu.
Odbicie może powodować również falę stojącą. Fala stojąca to pionowe oscylacje, w których woda kołysze się w przód i w tył, podnosząc się i opadając na końcach, ale w centrum pozostaje względnie nieruchoma. Fala stojąca nie jest orbitalna, ale ma doliny i grzbiety, które zmieniają się miejscami. Punkt fali, który jest stacjonarny, nazywamy węzłem (ang. node), strzałki fali stojącej (ang. antinode) pojawiają się tam, gdzie jest maksymalna pionowa zmiana.
Fale niszczące
Na otwartym morzu, nawet bardzo duże fale mogą się czasem wydawać niegroźne. Statek przepływa nad nim, czy przez nie. Gdy osiągają wody płytsze i nie tracą swojej energii, ich siła zaczyna być dostrzegalna. Fale kierowane wiatrami burzowymi mogą być groźne na obszarze wybrzeża. Istnieją trzy odrębne typy fal znane ze swojej niszczycielskiego działania: nagon sztormowy (ang. storm surge), seisza (ang. seiche) i tsunami.
Fizyka fali
Ciekawe wizualizacje zachowania ruchu cząsteczek w fali. Gify animowane, po kliknięciu w następnym oknie uruchomi się animacja.
Dla fali utworzonej siłą wiatru :
