Ola de viento

En dinámica de fluidos, una onda de viento, u onda de agua generada por el viento, es una onda superficial que se produce en la superficie libre de cuerpos de agua como resultado de el viento que sopla sobre la superficie del agua. La distancia de contacto en la dirección del viento se conoce como fetch. Las olas en los océanos pueden viajar miles de kilómetros antes de llegar a la tierra. Las ondas de viento en la Tierra varían en tamaño desde pequeñas ondas hasta olas de más de 30 m (100 pies) de altura, y están limitadas por la velocidad del viento, la duración, el alcance y la profundidad del agua.

Cuando un sistema de olas de viento es generado y afectado directamente por el viento local, se denomina mar de viento. Las ondas de viento viajarán en una ruta de gran círculo después de generarse: se curvarán ligeramente hacia la izquierda en el hemisferio sur y ligeramente hacia la derecha en el hemisferio norte. Después de salir del área de alcance, las ondas de viento se denominan oleajes y pueden viajar miles de kilómetros. Un ejemplo notable de esto son las olas generadas al sur de Tasmania durante los fuertes vientos que viajarán a través del Pacífico hasta el sur de California, produciendo condiciones deseables para el surf. El oleaje consiste en olas generadas por el viento que no se ven afectadas significativamente por el viento local en ese momento. Se han generado en otros lugares y, a veces, anteriormente. Las olas del viento en el océano también se denominan ondas de la superficie del océano y son principalmente ondas de gravedad, donde la gravedad es la principal fuerza de equilibrio.

Las olas de viento tienen cierta aleatoriedad: las olas posteriores difieren en altura, duración y forma con una previsibilidad limitada. Pueden describirse como un proceso estocástico, en combinación con la física que rige su generación, crecimiento, propagación y decadencia, así como la interdependencia entre cantidades de flujo, como los movimientos de la superficie del agua, las velocidades del flujo y la presión del agua. Las estadísticas clave de las olas de viento (tanto del mar como del oleaje) en la evolución del estado del mar se pueden predecir con modelos de olas de viento.

Aunque las olas generalmente se consideran en los mares de agua de la Tierra, los mares de hidrocarburos de Titán también pueden tener olas impulsadas por el viento. Las olas en los cuerpos de agua también pueden generarse por otras causas, tanto en la superficie como bajo el agua.

Formación

La gran mayoría de las grandes olas que se ven en una playa son el resultado de vientos distantes. Cinco factores influyen en la formación de estructuras de flujo en las ondas de viento:

1. Velocidad del viento o fuerza relativa a la velocidad de onda: el viento debe moverse más rápido que la cresta de onda para la transferencia de energía a la ola.
2. La distancia ininterrumpida del agua abierta sobre la cual el viento sopla sin cambios significativos en la dirección (llamada la .)
3. Ancho del área afectada por embrague (en un ángulo recto a la distancia)
4. Duración del viento – el tiempo para el cual el viento ha soplado sobre el agua.
5. Profundidad del agua

Todos estos factores trabajan juntos para determinar el tamaño de las olas del agua y la estructura del flujo dentro de ellas.

Las principales dimensiones asociadas con la propagación de ondas son:

• Altura de onda (distancia vertical de trough a cresta)
• Longitud de onda (distancia de la cresta a la cresta en la dirección de la propagación)
• Período de onda (intervalo de tiempo entre la llegada de crestas consecutivas a un punto estacionario)
• Dirección de onda o azimut (predominantemente impulsado por la dirección del viento)

Un mar completamente desarrollado tiene el tamaño de ola máximo teóricamente posible para un viento de fuerza, duración y alcance específicos. Una mayor exposición a ese viento específico sólo podría causar una disipación de energía debido a la ruptura de las cimas de las olas y la formación de "cabrillas blancas". Las olas en un área determinada suelen tener una variedad de alturas. Para los informes meteorológicos y el análisis científico de las estadísticas de las olas de viento, su altura característica durante un período de tiempo suele expresarse como altura de ola significativa. Esta cifra representa una altura promedio del tercio más alto de las olas en un período de tiempo determinado (generalmente elegido entre 20 minutos y doce horas), o en un sistema de olas o tormentas específico. La altura significativa de las olas es también el valor que un "observador entrenado" (por ejemplo, de la tripulación de un barco) se estimaría a partir de la observación visual del estado del mar. Dada la variabilidad de la altura de las olas, es probable que las olas individuales más grandes sean algo menos del doble de la altura de ola significativa reportada para un día o tormenta en particular.

La formación de olas en una superficie de agua inicialmente plana por el viento se inicia mediante una distribución aleatoria de la presión normal del flujo de viento turbulento sobre el agua. Esta fluctuación de presión produce tensiones normales y tangenciales en el agua superficial, lo que genera olas. Generalmente se supone a los efectos del análisis teórico que:

1. El agua está originalmente en reposo.
2. El agua no es viscosa.
3. El agua es irrotacional.
4. Hay una distribución aleatoria de la presión normal a la superficie del agua del viento turbulento.
5. Se descuidan las correlaciones entre los movimientos de aire y agua.

El segundo mecanismo implica las fuerzas cortantes del viento sobre la superficie del agua. John W. Miles sugirió un mecanismo de generación de ondas superficiales que se inicia mediante flujos turbulentos de cizalladura del viento basándose en la ecuación invisible de Orr-Sommerfeld en 1957. Encontró que la transferencia de energía del viento a la superficie del agua es proporcional a la curvatura del perfil de velocidad. del viento en el punto donde la velocidad media del viento es igual a la velocidad de la onda. Dado que el perfil de velocidad del viento es logarítmico con respecto a la superficie del agua, la curvatura tiene un signo negativo en este punto. Esta relación muestra el flujo de viento transfiriendo su energía cinética a la superficie del agua en su interfaz.

Supuestos:

1. dos dimensiones de flujo de corte paralelo
2. agua incompresible, invisible y viento
3. Agua irrotacional
4. pendiente del desplazamiento de la superficie del agua es pequeña

Generalmente, estos mecanismos de formación de olas ocurren juntos en la superficie del agua y eventualmente producen olas completamente desarrolladas.

Por ejemplo, si asumimos una superficie del mar plana (estado de Beaufort 0) y un flujo repentino de viento sopla constantemente a través de la superficie del mar, el proceso físico de generación de olas sigue la secuencia:

1. El viento turbulento forma fluctuaciones de presión aleatoria en la superficie del mar. Los ripples con longitudes de onda en el orden de unos pocos centímetros se generan por las fluctuaciones de presión. (El mecanismo Phillips)
2. Los vientos siguen actuando en la superficie del mar inicialmente madura que hace que las olas se hagan más grandes. A medida que crecen las olas, las diferencias de presión aumentan causando que aumente la tasa de crecimiento. Por último, la inestabilidad de las olas agiliza el crecimiento de las ondas de manera exponencial. (El mecanismo Miles)
3. Las interacciones entre las ondas en la superficie generan ondas más largas y la interacción transferirá energía de onda de las ondas más cortas generadas por el mecanismo Miles a las ondas que tienen frecuencias ligeramente más bajas que la frecuencia en las magnitudes de onda pico, entonces finalmente las ondas serán más rápidas que la velocidad de los vientos cruzados (Pierson & Moskowitz).

Tipos

Con el tiempo se desarrollan tres tipos diferentes de ondas de viento:

• Ondas capilares, o ondas onduladas, dominadas por efectos de tensión superficial.
• Olas de gravedad, dominadas por fuerzas gravitatorias e inerciales.
  • Mares, criados localmente por el viento.
• Se hincha, que han viajado lejos de donde fueron criados por el viento, y tienen hasta mayor o menor medida dispersa.

Las ondas aparecen en el agua tranquila cuando sopla el viento, pero desaparecerán rápidamente si el viento para. La fuerza restauradora que les permite propagarse es la tensión superficial. Las olas del mar son movimientos de mayor escala, a menudo irregulares, que se forman bajo vientos sostenidos. Estas ondas tienden a durar mucho más, incluso después de que el viento ha cesado, y la fuerza restauradora que les permite propagarse es la gravedad. A medida que las ondas se propagan fuera de su área de origen, se separan naturalmente en grupos de dirección y longitud de onda comunes. Los conjuntos de olas formadas de esta manera se conocen como oleajes. El Océano Pacífico se encuentra a 19.800 km desde Indonesia hasta la costa de Colombia y, basándose en una longitud de onda promedio de 76,5 m, tendría ~258.824 oleajes en ese ancho.

Las "olas rebeldes" (también llamadas "ondas monstruosas", "ondas monstruosas", "ondas asesinas" y "ondas rey") mucho más altas que las otras olas en el estado del mar puede ocurrir. En el caso de la ola Draupner, su altura de 25 m (82 pies) era 2,2 veces la altura significativa de la ola. Estas ondas son distintas de las mareas, causadas por la atracción gravitacional de la Luna y el Sol, los tsunamis causados por terremotos o deslizamientos de tierra submarinos y las ondas generadas por explosiones submarinas o la caída de meteoritos, todas ellas con longitudes de onda mucho más largas que las ondas del viento..

Las olas de viento más grandes jamás registradas no son olas rebeldes, sino olas estándar en estados extremos del mar. Por ejemplo, en el RRS Discovery se registraron olas de 29,1 m (95 pies) de altura en un mar con una altura de ola significativa de 18,5 m (61 pies), por lo que la ola más alta fue solo 1,6 veces la altura de ola significativa. La mayor registrada por una boya (a partir de 2011) fue de 32,3 m (106 pies) de altura durante el tifón Krosa de 2007, cerca de Taiwán.

Espectro

Las olas del océano se pueden clasificar según: la fuerza perturbadora que las crea; el grado en que la fuerza perturbadora continúa influyéndoles después de su formación; el grado en que la fuerza restauradora los debilita o aplana; y su longitud de onda o período. Las olas sísmicas del mar tienen una duración de unos 20 minutos y velocidades de 760 km/h (470 mph). Las ondas de viento (ondas de aguas profundas) tienen un período de hasta unos 20 segundos.

La velocidad de todas las olas del océano está controlada por la gravedad, la longitud de onda y la profundidad del agua. La mayoría de las características de las olas del océano dependen de la relación entre su longitud de onda y la profundidad del agua. La longitud de onda determina el tamaño de las órbitas de las moléculas de agua dentro de una onda, pero la profundidad del agua determina la forma de las órbitas. Las trayectorias de las moléculas de agua en una onda de viento son circulares sólo cuando la onda viaja en aguas profundas. Una ola no puede "sentir" el fondo cuando se mueve a través de agua a más de la mitad de su longitud de onda porque el movimiento del agua por debajo de esa profundidad contiene muy poca energía de las olas. Las ondas que se mueven a través del agua a una profundidad superior a la mitad de su longitud de onda se conocen como ondas de aguas profundas. Por otro lado, las órbitas de las moléculas de agua en ondas que se mueven a través de aguas poco profundas se aplanan por la proximidad de la superficie del fondo del mar. Las olas en aguas con una profundidad inferior a 1/20 de su longitud de onda original se conocen como ondas de aguas poco profundas. Las ondas de transición viajan a través del agua a una profundidad superior a 1/20 de su longitud de onda original pero a una profundidad inferior a la mitad de su longitud de onda original.

En general, cuanto más larga sea la longitud de onda, más rápido se moverá la energía de las olas a través del agua. La relación entre la longitud de onda, el período y la velocidad de cualquier onda es:

${displaystyle C={L}/{T}$

donde C es velocidad (celeridad), L es la longitud de onda, y T es el período (en segundos). Así la velocidad de la onda deriva de la dependencia funcional ${displaystyle L(T)}$ de la longitud de onda en el período (la relación dispersión).

La velocidad de una ola en aguas profundas también se puede aproximar mediante:

${displaystyle C={sqrt {{gL}/{2pi }$

donde g es la aceleración debida a la gravedad, 9,8 metros (32 pies) por segundo al cuadrado. Como g y π (3.14) son constantes, la ecuación se puede reducir a:

${displaystyle C=1.251{sqrt {L}}$

cuando C se mide en metros por segundo y L en metros. Tenga en cuenta que en ambas fórmulas la velocidad de la onda es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de onda.

La velocidad de las olas en aguas poco profundas se describe mediante una ecuación diferente que puede escribirse como:

${displaystyle C={sqrt {gd}=3.1{sqrt {d}$

donde C es la velocidad (en metros por segundo), g es la aceleración debida a la gravedad y d es la profundidad del agua (en metros). El período de una ola permanece invariable independientemente de la profundidad del agua por la que se desplaza. Sin embargo, a medida que las olas de aguas profundas entran en aguas poco profundas y tocan el fondo, su velocidad se reduce y sus crestas se "amontonan", por lo que su longitud de onda se acorta.

Modelos espectrales

Estado del mar puede ser descrito por el espectro de ondas marítimas o simplemente espectro de ondas ${displaystyle S(omegaTheta)}$. Está compuesto por un altura de onda espectro (WHS) ${displaystyle S(omega)}$ y a dirección de onda espectro (WDS) ${displaystyle f(Theta)}$. Muchas propiedades interesantes sobre el estado del mar se pueden encontrar en el espectro de onda.

WHS describe la densidad espectral de la variabilidad de altura de onda ("poder") contra la frecuencia de onda, con dimensión ${displaystyle {S(omega)}={text{length} {2}cdot {text{time}}}}}}$. La relación entre el espectro ${displaystyle S(omega _{j})}$ y la amplitud de onda ${displaystyle A_{j}$ para un componente de onda ${displaystyle j}$ es:

${displaystyle {frac {1}{j}{2}=S(omega _{j}),Delta omega }$

Algunos modelos WHS se enumeran a continuación.

• The International Towing Tank Conference (ITTC) recommended spectrum model for fully developed sea (ISSC spectrum/modified Pierson-Moskowitz spectrum):

${displaystyle {frac {S(omega)}{H_{1/3}{2}T_{1}}}={frac {0.11}{2pi}}left({fracfrac} {frac}}}}} {f}}} {f}f}fnKfnK}}}}}f}} {f}}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnKf}fnKf}f}f}f}fnKfnKfnKf}fnh}fnKf}fnKfnKfnKf}fnKfnKfnKfnKfnKfnKf}fnKf}}fn ################################################################################################################################################################################################################################################################ T_{1}{2pi}}right)^{-5}mathrm {exp} left[-0.44left({frac {omega) ¿Qué?$

• ITTC recomendó el modelo de espectro para embrague limitado (espectro JONSWAP)

${displaystyle S(omega)=155{frac {H_{1/3}{2} {T_{1}{4}omega ^{5}}mathrm {exp} left({frac {-944}{1} {4}omega ^{4}}}right)(3.3)}{Y}}$

Donde

${displaystyle Y=exp left[-left({frac {0.191omega - Sí.$

${displaystyle sigma ={begin{cases}0.07 ventaja{if}omega leq 5.24/T_{1},$