Волны

     Волны, как неотъемлемая составляющая моря, всегда берутся в расчет яхтсменами. Они являются главным предметом его беспокойства, поскольку именно волны , а не ветер, определяют комфортность и безопасность плавания. Ветровые волны, а в этой статье мы говорим именно о ветровых волнах (не о приливных, или волнах цунами), образуются на поверхности моря под воздействием энергии ветра, передаваемой волнам путем трения воздушного потока о поверхность воды. Развитие ветровых волн начинается с образования мелких волн ряби, из которых затем развиваются гравитационные волны, которые постепенно увеличиваются по длине и высоте.
Ветровые волны характеризуются  большим разнообразием и неправильностью формы. Структура ветровой волны показана на рис.1. Передний склон волны всегда более крутой и «смотрит» в направлении ее движения, а задний, пологий, является наветренным. В ветровой волне не происходит перемещения массы воды в направлении ее бега - движение вперед имеет лишь форма волны. Частицы воды в волне совершают движение по почти круговым траекториям. Если ветер, вызвавший волнение, стихает, то ветровые волны постепенно преобразуются в свободные волны, называемые зыбью, и которые имеют более правильную форму, чем ветровые волны, с большей длиной. Наиболее часто встречается смешанное волнение, при котором одновременно наблюдаются зыбь и ветровые волны.

Характеристики ветровой волны, с которыми мы будем иметь дело в дальнейшем, показаны на рис.2 и не требуют особых пояснений.

В начальной стадии развития волны бегут параллельными рядами, которые затем образуют группы волн и обособленные волны. Взволнованная ветром поверхность моря приобретает весьма сложный рельеф, непрерывно изменяющийся во времени.
Высота волн
Даже при неизменной силе ветра на поверхности моря всегда существуют ветровые волны самой разнообразной формы и размеров. Когда мы получаем прогноз погоды на море, нам сообщают высоту волнения, например 3 фута. Что это означает? Средняя высота всех волн или высота максимальных волн? Ни то и не другое. Нам указывают значительную высоту волнения. Значительная высота волн это среднее значение высоты третьей части всех наивысших волн (см. рис.3) То есть, в реальности мы будем иметь некоторые волны выше значительной высоты, но большинство волн будут ниже. Все дальнейшие расчеты отталкиваются от этого значения. Интересна статистика распределения волн разной высоты при данной значительной высоте волнения.
Так, наиболее часто будут встречаться волны высотой в половину от значительной (0.5х3=1,5 фута).
Средняя высота всех волн составит 0,6 от значительной высоты (0,6х3=1,8 фута).
Одна из десяти волн будет иметь высоту в 1,3 раза больше значительной (1,3х3= 3,9 фута)
Одна из 2000 волн будет в 2 раза выше значительной высоты волнения (2х3=6 футов)

Говоря об абсолютной высоте волнения при данном ветре, нужно знать, что в глубоком море размеры волн и характер волнения определяются скоростью ветра, продолжительностью его действия, и «разгоном волн», т. е. расстоянием до ближайшего берега  со стороны, откуда дует ветер. Ниже представлены две таблицы указывающие высоту волн с учетом этих факторов. Получив прогноз ветра, зная его продолжительность и ваше расстояние от наветренного берега, вы можете определить высоту ожидаемых волн в вашем месте на море. Первая таблица предполагает, что берег не мешает развитию волн.

Таблица 1.

Как видно из таблицы, высота волн не может расти до бесконечности – 15-узловой ветер может развить лишь 5-футовое волнение, сколько долго бы он не дул.
Как правило, длительность действия ветра соответствует его скорости в узлах. Так, 20 узловой ветер будет дуть около 20 часов.

Таблица 2.

Изучая таблицу 2 становится понятным значение прикрытия наветренным берегом. Так, в 10 милях от побережья мы будем иметь волны высотой лишь 4 фута при ветре 20 узлов. При том же ветре в 100 милях от берега нам предстоит борьба с 9-футовым волнением.

В мелком море дополнительным фактором, влияющим на процесс образования волн, является глубина моря и рельеф дна - малые глубины ограничивают рост образующихся волн. Наблюдателю на море волны всегда кажутся более высокими, чем есть на самом деле, поскольку его внимание  концентрируется на наиболее высоких волнах. На фотографиях волны кажутся меньше, чем были на самом деле. Вероятно, нужно взять две трети  от  оцененной на глаз высоты волны, чтобы быть близким и истине. Довольно точно можно определить высоту волн следующим методом. Встаньте в кокпите и наблюдайте ближайшую волну, в подошве которой вы находитесь. Если она только поднялась до уровня горизонта, то ее высота равна высоте вашего глаза над ватерлинией.

Крутизна волн
Движение волн означает перенос энергии из одного места в другое без реального переноса материального вещества. Наблюдая волнение, заходящее в бухту, мы видим и ощущаем энергию приходящих волн, но не видим дополнительно приходящей воды. Плавучий предмет на поверхности моря также не будет принесен в бухту волной (не учитывая течение), он будет лишь перемещаться вверх и вниз на волнах, и немного перемещаться вперед на гребне и назад в подошве, описывая почти круговую траекторию. Такую же траекторию имеют и частички воды в волне. При этом они обладают как кинетической энергией вследствие своего движения по кругу, так и потенциальной, из-за высоты волны над поверхностью гладкого моря.
Когда течение идет навстречу движению волны, оно замедляет ее бег, уменьшая тем самым кинетическую энергию волны. Чтобы сохранить энергию, волна должна стать выше, увеличивая тем самым долю своей потенциальной энергии. Поэтому, любая волна на встречном течении или вследствие торможения о морское дно, будет короче и выше обычной, что ведет к значительному увеличению ее крутизны, особенно переднего склона. Этот эффект легко наблюдать у берега, когда замедление скорости прибойной волны ведет к росту ее высоты и крутизны, и в конечном счете, к обрушению.
Такое поведение волн имеет прямое отношение к выбору курсов малых яхт. В планировании плаваний мы должны учитывать эффект течения против сильного ветра, во избежание встречи с очень неприятным, если не сказать опасным, волнением.

Скорость волны
Не только высота и крутизна волн интересуют мореплавателей, но и скорость ее. Главная забота яхтсмена на волнении – это сохранять контроль над лодкой, поддерживать ее управляемость. Особенно это актуально, когда нужно пересечь бар, чтобы войти в гавань или устье реки. Во время океанских гонок, успешный серфинг на быстрых волнах является ключевым фактором в достижении успеха. Во всех случаях полезно хорошее ощущение и знание скорости волн и  как ее эффективно использовать. Необходимо поддерживать оптимальную скорость лодки в соответствии со скоростью волн. Слишком малая скорость яхты позволит набегающим с кормы волнам обрушивать всю их силу на ваш транец и кокпит, а слишком большая грозит потерей контроля над ходом судна и опасностью воткнуться в задний склон волны, идущей впереди.
Одной из особенностью волн есть их способность продолжать свое движение после того, как создавший их ветер утих или сменил направление. Это движение поддерживается огромной энергией, накопленной в волнах – силой инерции. Такие волны называются зыбью.
Зависимость скорости волны от силы ветра также сложна, как и зависимость их высоты от него. Мы уже знаем, что один и тот же ветер создает волны различной высоты, длины и скорости. Важной характеристикой волны есть ее период. Период волны – это время, за которое волна проходит всю свою длину, или промежуток времени между прохождением двух гребней волн.
Скорость волны отражается формулой:

              Скорость волны = длина волны / период волны.

Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость. Высота и крутизна волны оказывают незначительный эффект на ее скорость, главный фактор – длина волны. Длинные волны, это быстрые волны. Низкие, но длинные волны зыби движутся быстрее, чем более угрожающе выглядящие крутые и высокие. Очень длинные волны цунами, например, очень быстрые. В открытом океане они могут иметь высоту всего лишь несколько дюймов, но распространяются со скоростью 100 узлов и более! С другой стороны, огромные штормовые океанские волны также являются наиболее длинными из ветровых волн, и движутся очень быстро – их скорость может достигать 50 узлов.
Увеличение длины  (и скорости) ветровых волн находится в прямой зависимости от силы и продолжительности ветра. Все волны под воздействием ветра постепенно становятся выше и длиннее, а значит, и быстрее. К моменту полного развития  волн их скорость будет составлять 0,9 от скорости ветра, который их образовал. Ветер, дующий со скоростью  10 узлов, создаст волны, бегущие со скоростью 9 узлов (0,9х10=9).
С практической точки зрения такой расчет полезен для понимания, с чем придется столкнуться в открытом море, но в отдельных случаях этот метод неприменим. Например, при путешествии в пассатных ветрах, где волны развиваются в течение многих дней с 20-узловым ветром во многих сотнях миль от берега. Они могут сохранять скорость до 18 узлов еще целый день после того, как  ветер упал до  12 узлов.

Скорость волны может быть рассчитана по формуле:

       Скорость волны = 1,34  х  корень квадратный из L 

где L = длина волны в футах

Волна длиной 49 футов будет иметь скорость 1,34 х 7 = 9,4 узла.
Интересно, что предельная скорость яхты (в водоизмещающем режиме) также рассчитывается по этой формуле, и L в этом случае, будет ее длина по ватерлинии. Это очень полезно знать. Волна длиной 49 футов будет идти с одной скоростью с 49-футовой (по ватерлинии) лодкой на полном ходу. Если на вы в море на такой яхте, и волны обгоняют вас, когда лаг показывает 9 узлов, то они длиннее вашей лодки и вы можете попытаться «оседлать» одну из догоняющих вас волн и увеличить свою скорость за счет серфинга.

Когда волна приходит с глубокого моря в места, где глубина уменьшается до половины длины волны, циркуляция воды в волне начинает тормозиться дном моря и скорость волны уменьшается с одновременным увеличением ее высоты и крутизны. Это случается на континентальных шельфах у берегов и над мелководными банками в море. Крутые и высокие волны становятся обрушивающимися. В плаваниях при свежих и сильных ветрах  лучше удлинить свой путь и обойти стороной такие опасные места.

 С Свистула

Опубликовано в журнале "Фарватер"

Волны. Статья для яхтсменов mail to info@amariner.net