Łamanie fal

Surfer przy przerywaczu przepięć

Odtwórz plik multimedialny

Załamująca się fala na wzniesieniu w laboratoryjnym kanale falowym

Fale rozbijające się na wybrzeżu Chile

W falach wodnych załamanie fali opisuje krytyczny stopień przemiany fali, przy którym następuje pokonanie napięcia powierzchniowego na jej grzbiecie , ruch orbity traci swój charakterystyczny kształt, a wypływająca z konturu fali woda opada na przednie zbocze. Takie niestabilne fale nazywane są przerywaczami . Inne nazwy to Sturzwoge , pogrążone młoty lub ciężkie morze .

Falochron (w tym przypadku czworonogi )

Energia potrzebna do wytworzenia fal morskich (fal grawitacyjnych ) jest przenoszona przez wiatr na odległość setek kilometrów na powierzchnię wody i, jeśli to konieczne, rozchodzi się jako fala na tysiące kilometrów. Zamiana tej energii na ciepło następuje w procesie łamania fal, głównie w strefach płytszych wód, często zaledwie kilka metrów w strefie surfowania . Szczególnie w takich warunkach brzegowych na wybrzeżach mogą wystąpić niszczycielskie siły zniszczenia. Sam proces łamania fali charakteryzuje się ruchem orbitalnym fali, która ulega ciągłej deformacji aż do punktu załamania.

Łamanie kryteriów

Istotne są zarówno stosunek chwilowej prędkości orbitalnej w do prędkości fazowej c fali (prędkość przebiegu fali), jak i stosunek przyspieszenia orbitalnego a do przyspieszenia ziemskiego g . Według George'a Gabriela Stokesa fale okresowe stają się niestabilne, jeśli kąt styczny na wierzchołku fali rośnie wraz ze wzrostem wysokości fali . Do fal głębinowych jest John Michell związanego ograniczający kąt nachylenia dla H / L = 0,142 wyznacza się ( H = wysokość fali , L = długość fali ) i Rankine'a (1860) zgodności prędkości orbitalnej wagowo na grzbiecie fali do propagacji fali prędkości C . ${\ displaystyle \ gamma \ leq 120 ^ {\ circ}}$

W przypadku załamywania się fal w strefach przybrzeżnych te same powyższe stwierdzenia dotyczą krytycznego kąta grzbietu i krytycznej prędkości orbitalnej w . Jednak maksymalna możliwa graniczna stromość H / L w płytkiej wodzie jest również zależna od głębokości wody d , która zgodnie z teorią poszczególnych fal wyraża się również stosunkiem wysokości kruszarki do głębokości wody . Kryteria załamywania fal w strefach płytkich wód są następujące : ${\ displaystyle H_ {b}}$${\ displaystyle d_ {b}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ text {prędkość orbitalna}} {\ tekst {prędkość naprzód fali}}} = {\ frac {w} {c}} \ geq 1}$

${\ displaystyle {\ text {kąt grzebienia kruszarki:}} \ quad \ gamma \ leq 120 ^ {\ circ}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ text {przyspieszenie orbitalne}} {\ tekst {przyspieszenie grawitacyjne}}} = {\ frac {a} {g}} \ geq 1}$

${\ Displaystyle {\ tekst {Nachylenie graniczne:}} \ quad \ max {\ Frac {H} {L}} = 0 {,} 142 \ tanh {\ Frac {2 \ pi d} {L}}}$

Względna wysokość fali:

${\ Displaystyle 0 {,} 82 \ równoważnik {\ Frac {H_ {b}} {d_ {b}}} \ równoważnik 1 {,} 93}$.

Formy kruszarki

Fascynacja falami wodnymi polega na tym, że często wydają się one obserwatorowi jako fale o niedoskonałym kształcie, im bardziej odbiegają od regularnego kształtu sinusoidy. Dzieje się tak zwłaszcza w przypadku załamywania się fal, w których w obszarze grzbietu występuje dwufazowa mieszanina ( piana ) składająca się z wody i powietrza . W przypadku konstrukcji morskich i statków szczególne znaczenie ma to, aby oddziaływanie sił wywołanych załamaniem fal osiągnęło swoje maksimum w rejonie grzbietu. Ekstremalne efekty siły - takie jak uderzenie ciśnieniowe w budynkach i młot morski (trzaskanie) na statkach - zależą od aktualnego kształtu kruszarki .

W przeciwieństwie do form załamujących się fal (white capping) tworzonych przez silne wiatry na otwartym morzu, w pobliżu brzegu można zdefiniować różne formy falochronów , w zależności od

• Zbocze dna jeziora (lub sztuczne nachylenie stoku )${\ displaystyle 1: n = \ tan \ alpha}$

i

• Stromość fali .${\ Displaystyle S = H / L \,}$

Tutaj, w wyniku załamania i zmniejszania się głębokości wody w kierunku wybrzeża ( mielizny ), wysokość fali H wzrasta, a długość fali L maleje, aż fale załamują się przy maksymalnej stromości fali max ( S ). Korzystanie ze wskaźnika kruszarki z Irribarren i Nogales (1949)

${\ Displaystyle \ xi = {\ Frac {\ tan \ alpha} {\ sqrt {\ Frac {H} {L_ {o}}}}} = {\ Frac {1} {\ sqrt {\ Frac {H} { L_ {o}}}} \ cdot {\ frac {1} {n}}}$

${\ Displaystyle {\ tekst {staje się}} L_ {o} = {\ Frac {g} {2 \ pi}} \ cdot T ^ {2}}$

${\ displaystyle (L_ {o} = \,}$ ${\ Displaystyle \ mathrm {długość fali {\ ddot {a}} nge} {\ tekst {w głębokiej wodzie}}; T = {\ tekst {okres fali}}) \,}$

${\ Displaystyle \ xi = \ xi (H, T, n) = {\ sqrt {\ Frac {g} {2 \ pi}}} \ cdot {\ Frac {1} {\ sqrt {H}}} \ cdot T \ cdot {\ frac {1} {n}}}$

Można wyróżnić 3 główne formy w następujący sposób:

${\ Displaystyle \ xi <0 {,} 5 \, \ \ \ qquad \ qquad {\ text {przerywacz rozlewania}}}$

${\ Displaystyle 0 {,} 5 \ równoważnik \ xi \ równoważnik 3 {,} 3 \, \ qquad {\ tekst {Wbijając wyłącznik}}}$

${\ Displaystyle \ xi> 3 {,} 3 \, \ \ \ qquad \ qquad {\ tekst {Przerywacz odbicia (przerywacz wzrost)}}}$

Są to szczególnie charakterystyczne kształty. W przeciwieństwie do tego, w przyrodzie często można zaobserwować stałe przejście z jednej postaci do drugiej.

W przypadku przerywaczy przepięć najpierw przezwyciężane jest napięcie powierzchniowe na stosunkowo symetrycznym grzbiecie fali; tworzą się bąbelki, które wraz z wypływającą z fali wodą przemieszczają się w dół do przodu fali. Energia fal jest przekształcana w turbulencje i ostatecznie w ciepło na odcinku odpowiadającym kilkukrotnej długości fali. Po upadku jest to preferowana forma łamacza dla surferów .

Kruszarka udarowa

Przerywacz upadku

Wyłącznik częściowego upadku

Przerywacz refleksji

Spadek kruszarki charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem nachylenie zwiększenie asymetrii występuje aż nachylenie fali w kierunku brzegu jest pionowy. Dopiero wtedy woda wypływa z grzbietu i przemieszcza się - podążając za parabolą - po zboczu do koryta fal przed nim. Uderzająca woda z jednej strony dociera do ziemi wraz z nawiewanym powietrzem, z drugiej strony jest transportowana z powrotem na grzbiet fali w walcu zgodnie z kierunkiem tamtejszej prędkości orbitalnej. Oba mechanizmy powodują, że powietrze intensywnie się miesza, tak że energia jest przekształcana na odległość, która odpowiada ułamkowi długości fali. Jeśli młot uderzy w powierzchnię z grubsza wolną od wody, następuje szok ciśnieniowy .

Surfowanie pod językiem parabolicznego wyłącznika jest rura surfowania , o którym mowa.

Dzięki przerywaczowi odbicia wyciek wody i tworzenie się pęcherzyków są minimalne i trudno jest śledzić prawidłowy proces łamania. Jest to proces ruchu, który można porównać bardziej z falą stojącą ( clapotis ).

Należy to odróżnić od formy przejściowej na granicy urządzenia wyłączającego upadek , która jest określana jako przerywacz częściowego upadku . Dzięki temu tylko dolna część stoku przybrzeżnego jest pionowa. Punkt, w którym woda po raz pierwszy wypływa z fali, znajduje się w kierunku wybrzeża i znacznie głębiej niż grzbiet fali.

Powiązany mechanizm

Przełamywanie fal niestacjonarnych w strefach surfowania jest porównywalne z procesem naprzemiennego przeskoku znanego ze stałego przepływu w kanale : w obu procesach zachodzą współczynniki konwersji energii o rzędy wielkości wyższe niż tarcie na dnie lub tarcie wewnętrzne między cząstkami cieczy. Warto zauważyć, że w obu procesach naturalnych wspomniana znaczna konwersja energii może zachodzić na stosunkowo krótkim dystansie.

Indywidualne dowody

1. ↑ Duden online: Brecher , patrz sekcja „Synonimy”

linki internetowe

• Fritz Büsching : Przełamywanie fal (PDF; 667 kB)