Lámající se vlna - Breaking wave
V dynamiky tekutin , je lámání vln nebo jistič je vlna , jejíž amplituda dosáhne kritické úrovně, při které nějaký proces, může náhle začít se stát, že způsobí, že velké množství energie vln, které mají být transformovány do turbulentní kinetické energie . V tomto okamžiku se jednoduché fyzikální modely, které popisují dynamiku vln, často stávají neplatnými, zejména ty, které předpokládají lineární chování.
Nejvíce obecně známý druh lámání vlny je lámání povrchových vln vody na pobřeží. K vlnění obvykle dochází tam, kde amplituda dosáhne bodu, ve kterém se hřeben vlny skutečně převrátí - typy lámajících se povrchových vln vody jsou podrobněji popsány níže. Některé další efekty dynamiky tekutin byly také nazývány „lámající se vlny“, částečně analogicky s vlnami vodní hladiny. V meteorologii se říká, že gravitační vlny atmosféry se lámou, když vlna produkuje oblasti, kde potenciální teplota klesá s výškou, což vede k rozptylu energie prostřednictvím konvekční nestability ; stejně tak se prý Rossbyho vlny rozbijí, když se převrátí gradient potenciální vorticity . K vlnění dochází také v plazmatu , kdy rychlosti částic překračují rychlost fáze vlny . Další aplikací ve fyzice plazmatu je expanze plazmy do vakua , ve kterém je proces vlnění a následný vývoj rychlého iontového píku popsán Sack-Schamelovou rovnicí .
Útes nebo skvrna mělké vodě, jako je například hejno , proti němuž vlny přestávka může být také známý jako nárazník.
Typy
Přerušení vodních povrchových vln může nastat kdekoli, kde je amplituda dostatečná, včetně středního oceánu. Je to však zvláště běžné na plážích, protože v oblasti mělčí vody jsou zesílené výšky vln (protože rychlost skupiny je tam nižší). Viz také vlny a mělká voda .
Existují čtyři základní typy lámajících se vodních vln. Rozlévají se, noří se, hroutí se a narůstají.
Rozlití jističů
Když má dno oceánu pozvolný sklon, vlna bude strmě stoupat, dokud nebude hřeben nestabilní, což způsobí, že se turbulentní bílá voda rozlije po povrchu vlny. To pokračuje, když se vlna blíží ke břehu, a energie vlny se pomalu rozptyluje v divoké vodě. Z tohoto důvodu se rozlévající vlny lámou déle než jiné vlny a vytvářejí relativně jemnou vlnu. Větrné podmínky na souši zvyšují pravděpodobnost rozlití.
Ponorné jističe
K prudké vlně dochází, když je dno oceánu strmé nebo má náhlé změny hloubky, například z útesu nebo písku. Hřeben vlny se stane mnohem strmější než rozlévající se vlna, stane se svislou, pak se stočí a klesne na koryto vlny a uvolní většinu své energie najednou při relativně násilném nárazu. Ponorná vlna se láme s větší energií než výrazně větší rozlévající se vlna. Vlna může zachytit a stlačit vzduch pod rtem, což vytváří „burácející“ zvuk spojený s vlnami. Při velkých vlnách mohou tuto havárii pocítit návštěvníci pláže na souši. Offshore větrné podmínky mohou zvýšit pravděpodobnost pístů.
Pokud vrhající se vlna není rovnoběžná s pláží (nebo oceánským dnem), nejprve se zlomí část vlny, která dosáhne mělké vody, a lámající se část (nebo zvlnění) se bude pohybovat laterálně po povrchu vlny jako vlna pokračuje. Jedná se o „trubku“, kterou surfaři tak vyhledávají (mimo jiné také nazývanou „sud“, „jáma“ a „zelená místnost“). Surfař se snaží zůstat poblíž nebo pod nárazovým rtem, často se snaží zůstat v trubce co nejhlubší a přitom stále může vystřelit dopředu a opustit hlaveň, než se zavře. Ponorná vlna, která je rovnoběžná s pláží, se může přetrhnout po celé délce najednou, což ji činí neopravitelnou a nebezpečnou. Surfaři tyto vlny označují jako „uzavřené“.
Hroutí se
Srážející se vlny jsou křížením mezi vrháním a stoupáním, ve kterém se hřeben nikdy úplně nerozbije, ale spodní strana vlny se stává strmější a hroutí se, což má za následek pěnu.
Bouřící se
Rostoucí jističe pocházejí z dlouhodobých, nízkých strmých vln a/nebo strmých plážových profilů. Výsledkem je rychlý pohyb základny vlny po šikmém svahu a zmizení vlnového hřebene. Přední strana a hřeben vlny zůstávají relativně hladké s malým množstvím pěny nebo bublin, což má za následek velmi úzkou surfovací zónu nebo žádné lámání vln. Krátký, ostrý výbuch vlnové energie znamená, že cyklus swash/backwash se dokončí před příchodem další vlny, což vede k nízké hodnotě fázového rozdílu Kemp (<0,5). Prudké vlny jsou typické pro reflexní plážové státy. Na strmějších plážích se energie vlny může odrazit od dna zpět do oceánu, což způsobí stojaté vlny .
Fyzika
Během lámání se na hřebenu vlny vytvoří deformace (obvykle vyboulení), jejíž přední strana je známá jako „prst na noze“. Vytvářejí se parazitní kapilární vlny s krátkými vlnovými délkami. Ti nad „špičkou“ mívají mnohem delší vlnové délky. Tato teorie není nic jiného než dokonalá, protože je lineární. Existuje několik nelineárních teorií pohybu (týkajících se vln). Jeden z nich používá metodu rušení k rozšíření popisu až do třetího řádu a od té doby byla nalezena lepší řešení. Pokud jde o vlnovou deformaci, byly vytvořeny metody podobné hraniční integrální metodě a modelu Boussinesq .
Bylo zjištěno, že vysokofrekvenční detaily přítomné v lámající se vlně hrají roli v deformaci a destabilizaci hřebene. Stejná teorie to rozšiřuje a uvádí, že údolí kapilárních vln vytvářejí zdroj vířivosti . Říká se, že povrchové napětí (a viskozita ) jsou významné pro vlny až do vlnové délky asi 7 cm (3 palce).
Tyto modely jsou však chybné, protože nemohou vzít v úvahu, co se stane s vodou po přerušení vlny. Vířivé formy po přestávce a turbulence vzniklé při lámání se většinou nezkoumají. Je pochopitelné, že by bylo obtížné získat předvídatelné výsledky z oceánu.
Poté, co se hrot vlny převrátí a proud se zhroutí, vytvoří velmi souvislý a definovaný horizontální vír. Ponorné jističe vytvářejí sekundární víry po povrchu vlny. Malé horizontální náhodné víry, které se tvoří po stranách vlny, naznačují, že rychlost vody je možná před zlomením víceméně dvourozměrná. Po rozbití se to stane trojrozměrným.
Hlavní vír podél přední části vlny po rozbití rychle difunduje do nitra vlny, protože víry na povrchu jsou viskóznější. Advekce a molekulární difúze hrají roli při roztahování víru a přerozdělování vorticity, stejně jako kaskád turbulence formace. Energie velkých vírů se touto metodou přenáší na mnohem menší izotropní víry.
Byly provedeny experimenty s cílem odvodit vývoj turbulencí po přestávce, a to jak v hluboké vodě, tak na pláži.
Viz také
- Iribarrenovo číslo - bezrozměrný parametr používaný k modelování několika účinků lámání gravitačních vln na plážích a pobřežních strukturách.
- Vlnová turbulence - Sada nelineárních vln se odchýlila daleko od tepelné rovnováhy