Волны на водной поверхности представляют собой колебания жидкости, при которых энергия распространяется без заметного переноса самой массы воды на большие расстояния. Эти колебания могут возникать под воздействием ветра, гравитационных сил, землетрясений или падения объектов в воду. Основными параметрами волны являются:
Для простых гармонических волн на глубокой воде справедливы следующие соотношения:
$$ c = \sqrt{\frac{g \lambda}{2\pi}}, $$
где g — ускорение свободного падения.
Для мелководья, когда глубина h существенно меньше длины волны, скорость распространения волны определяется формулой:
$$ c = \sqrt{g h}. $$
В зависимости от причин возникновения и механизма распространения выделяют несколько основных типов волн:
Гравитационные волны Основная категория волн на океанской и морской поверхности. Основной механизм — взаимодействие силы тяжести и сил инерции жидкости. Длина таких волн колеблется от нескольких сантиметров до сотен метров.
Капиллярные волны Мелкие волны с длиной менее 1–2 см, формируемые поверхностным натяжением воды. Эти волны возникают при слабом ветре и быстро затухают при удалении источника возмущения.
Цунами Особый тип длинных гравитационных волн, возникающих вследствие подводных землетрясений, оползней или извержений вулканов. Скорость распространения цунами на глубокой воде может достигать сотен километров в час.
Стоячие волны Формируются в ограниченных водоемах, таких как бассейны, озера или бухты. При наложении волн, движущихся в противоположных направлениях, возникают узлы и пучности, характерные для стоячей волны.
Волны на поверхности жидкости представляют собой сложное движение, где каждая частица описывает почти круговую траекторию. В глубоких водах траектории частиц уменьшаются с глубиной экспоненциально. При этом:
Эти особенности движения определяют распределение кинетической и потенциальной энергии волны.
Энергия волны делится на кинетическую Ek и потенциальную Ep:
E = Ek + Ep
Для гармонических волн на поверхности воды средняя плотность энергии определяется формулой:
$$ \overline{E} = \frac{1}{2} \rho g A^2, $$
где ρ — плотность воды, A — амплитуда волны.
Распространение энергии сопровождается перенаправлением волнового фронта и взаимодействием с береговой линией. При приближении к мелководью волны замедляются, увеличивается их высота, и возникает явление брейкинга — разрушения волны с образованием прибойной пены.
Ветер является главным источником возбуждения морских волн. Процесс формирования ветровых волн включает три стадии:
Турбулентные потоки вблизи поверхности также способствуют переносу энергии между различными волновыми модами и вызывают локальное усиление или разрушение отдельных волн.
При приближении волны к берегу или подводным возвышенностям происходят следующие явления:
Эти процессы формируют сложные динамические картины прибрежных волн и являются ключевыми при проектировании гидротехнических сооружений и оценке эрозионной активности побережья.