Карпенко H.I.
Рельєф морських берегів

Основні аспекти вивчення морського хвилювання

Основні аспекти вивчення морського хвилювання

Оскільки головним джерелом енергії морського хвилювання є вітер, то вітровим хвилям притаманні такі властивості: 1) квазіперіодичність і взаємозалежність елементів їхнього руху; 2) тісний зв’язок розмірів хвиль зі швидкістю і тривалістю вітру, з довжиною його шляху над водною поверхнею (довжиною розгону) і глибиною водойми; 3) велика складність і хаотичність руху поверхневого хвильового шару води загалом.
Сьогодні в практиці дослідження морських берегів використовують такі теорії хвиль (рис. 2.4) – хвилі Ері (синусоїдальні), Стокса і Герстнера (трохоїдальні), кноїдальні та поодинокі. Найбільшу популярність серед них мають теорії хвиль Ері, Стокса та поодиноких хвиль.

Рис. 2.4. Основні характеристики теорії хвиль (доступно при скачуванні повної версії книжки)

Історично склалося декілька напрямів вивчення властивостей хвиль, а саме – гідродинамічний, енергетичний, статистичний і спектральний.
Гідродинамічний напрям вивчає прості періодичні хвилі в різноманітних умовах їхнього поширення. Основний метод такого вивчення – математичний аналіз періодичних рухів ідеальної (нев’язкої) рідини з вільною поверхнею. Однак у ньому ігнорують важливою властивістю води – її в’язкістю. Хоча гідродинамічна теорія здебільшого вірно вловлює внутрішню кінематичну і динамічну структуру окремих хвиль, проте гідродинаміка ще не вирішує деяких завдань щодо хвиль мілководдя – поширення монохроматичних, тобто елементарних (однакових за параметрами), хвиль в умовах зміни рельєфу дна; не дає відповіді на питання щодо розвитку і росту хвиль.
На ці питання дає відповідь енергетичний напрям вивчення хвиль, розроблений В.М. Маккавеєвим, який вивчає залежність елементів хвиль від хвильоутворювальних чинників – швидкості вітру, його тривалості, розгону і глибини. Суть цього методу полягає у використанні загального фізичного принципу, згідно з яким зміна енергії будь-якої механічної системи дорівнює роботі зовнішніх сил за винятком роботи на подолання внутрішнього опору та дисипації енергії. Використання цього принципу дає змогу скласти рівняння балансу енергії. Проте і цей метод не цілком характеризує хвилі мілководдя, оскільки складний хвильовий рух замінюється у ньому системою правильних двовимірних хвиль. Загальна складність і хаотичність картини хвилювання на мілководді – важлива перешкода щодо використання енергетичного напряму в його сучасному виді для аналізу процесів у береговій зоні.
Складність і хаотичність структури хвильової поверхні намагаються проаналізувати двома шляхами: 1) шляхом вивчення законів розподілу досліджуваних елементів хвиль – висоти, періоду, довжини; 2) шляхом дослідження внутрішньої спектральної структури хвильової поверхні.
Розвиток статистичного методу завдячує впровадженню методів інструментальних вимірювань та обробці їхніх результатів методом математичної статистики, а за теоретичного аналізу – теорії ймовірності. Головним завданням статистичного вивчення хвилювання є дослідження функцій поширення елементів хвиль, що характеризують різноманітність їхніх значень. Розрізняють два види таких функцій. Одні описують різноманітність елементів хвиль за малий проміжок часу, впродовж якого середні значення елементів можна вважати постійними – це так звані квазістаціонарні функції або власне функції розподілу. Інші – режимні функції розподілу – характеризують зміни елементів хвиль за багаторічні проміжки часу.
Останніми роками швидко розвиваються спектральні дослідження, мета яких – об’єднати всі три напрями і створити на цій основі стійку фізичну теорію явища. Спектральний метод засновано на тій властивості, що будь-який складний коливальний рух можна розкласти на серію простих коливальних рухів (спектрів), які легко вивчати і досліджувати. Вивчення енергетичного спектра морських хвиль дає змогу підійти до аналізу фізичної суті хвильового процесу.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом