Título de la Presentación · 2. La perturbación se propaga a través del material sin ningún movimiento sustancial general de la propia materia. (Un corcho flotando simplemente

Oceanografía

Elaborado por: Prof. Luis Miguel González

Introducción

Las Olas

Ondas en el Mar

Elaborado por: Prof.

Las olas del mar han atraído la atención a largo de la

historia. Aristóteles (384-322 a. C.) observó la

existencia de una relación entre el viento y las olas, y

la naturaleza de esta relación ha sido un tema de

estudio desde entonces. Sin embargo, en la

actualidad, la comprensión del mecanismo de

formación de las olas y la forma en que las olas viajan

a través de los océanos está todavía incompleta. Esto

es en parte porque las observaciones de las

características del oleaje en el mar son difíciles, y en

parte porque los modelos matemáticos del

comportamiento de la onda se basan en la dinámica

de fluidos ideales, y las aguas oceánicas no se

ajustan precisamente con esos ideales. No obstante,

algunos datos sobre las olas están bien establecidos,

al menos en una primera aproximación

¿Qué son las ondas?


Las ondas son una ocurrencia común en la vida cotidiana, y se

manifiestan como, por ejemplo, en el sonido, en el movimiento de

una cuerda de guitarra pulsada, como ondas en un estanque, o las

olas en el océano. No es fácil definir una onda. Antes de tratar de

hacerlo, vamos a considerar algunas de las características del

movimiento ondulatorio:

1. Una onda transfiere una alteración de una parte de un material a

otro. (La perturbación causada por dejar caer una piedra en un

estanque se transmite a través del estanque por las ondas.)

2. La perturbación se propaga a través del material sin ningún

movimiento sustancial general de la propia materia. (Un corcho

flotando simplemente sube y baja bajo el efecto de las ondas, pero

experimenta muy poco desplazamiento en la dirección de las

ondas.)

3. La perturbación se propaga sin ningún tipo de distorsión grave de

la forma de onda. (Una onda muestra muy pocos cambios en la

forma en que viaja a través de un estanque.)

4. La alteración parece propagarse con una velocidad constante.

Tipos de Ondas


Todas las ondas pueden ser consideradas como ondas progresivas,

en que la energía se mueve a través o sobre la superficie de los

materiales.

Las ondas que viajan a través del material se denominan ondas de

volumen. Ejemplos de ondas de volumen son las ondas sonoras y

las ondas sísmicas P y S.

Pero nuestra principal preocupación en este curso es con ondas de

superficie . Las ondas superficiales más familiares son las que

ocurren en la interface entre la atmósfera y los océanos, causada

por el viento que sopla sobre el mar.

Tipos de ondas en el mar


En los océanos del mundo encontramos

cuatro tipos básicos de ondas: las olas

generadas por el viento (las más comunes),

las ondas producidas por las mareas, los

seiches (ondas estáticas o estacionarias) y los

tsunamis.

Olas Debido al Viento


La acción inicial del viento sobre la superficie del agua produce las llamadas ondas capilares, cuya longitud de onda es menor a 1,73 cm; la fuerza que trata de restaurar en ellas el equilibrio es la cohesión de sus moléculas individuales. La importancia de las ondas capilares radica en que inician el proceso de transferencia de la energía del aire al agua. La mayoría de las olas generadas por viento se conocen como ondas de gravedad, porque la gravedad es la fuerza que intenta restaurar el equilibrio. El viento juega un papel de suma importancia en el ambiente marino y es la causa principal del desarrollo de las olas. Las olas, que no son sino la respuesta del agua a la acción del viento, suelen tener el mayor impacto sobre las estructuras en las zonas costeras, los buques, las embarcaciones pequeñas y las personas que participan en actividades acuáticas recreativas. Los análisis y pronósticos precisos de los vientos marinos pueden significar la diferencia entre un buen o mal pronóstico de oleaje.

.

Características Físicas


Todas las olas comparten las mismas características básicas, independientemente del medio en que se mueven. Las características físicas son aquellos atributos que determinan el tamaño, la forma y el aspecto general de una ola. Anatomía La cresta es el punto más alto de la ola. El valle de una ola es su punto más bajo. La altura de la ola es la distancia vertical entre la cresta y el valle. Note en el diagrama cómo se mide la altura de la ola. La amplitud de una ola se define como el desplazamiento del agua a partir de su estado de reposo. La amplitud de la ola corresponde siempre a la mitad de la altura de la ola (al menos en una ola simétrica). La longitud de onda es la distancia entre una cresta y otra o entre un valle y otro. Aunque en realidad se trata de la distancia entre dos puntos idénticos a lo largo de una ola, es más fácil concebir o medir la longitud de onda en términos de la distancia entre dos crestas adyacentes.

Pendiente


La pendiente (S) de una ola se define como la

altura (H) de la ola dividida por la longitud de onda

(L), es decir: S = H/L. Por consiguiente, si la longitud

de onda de una ola disminuye pero su altura se

mantiene constante, su pendiente aumenta.

Período

Tilulo de la Presentación


El período de una ola se define como el tiempo que

tardan dos crestas o valles sucesivos en pasar por

un punto fijo. La animación siguiente define el

período de la ola en términos del intervalo de tiempo

entre cada vuelo del ave que está sobre el poste.

Note que si medimos los intervalos entre los vuelos

del ave, obtenemos el período de la ola. En esta

simple animación hemos representado un paquete

de olas, que tiene exactamente un período. En

realidad, el período de una ola se compone de un

espectro de períodos que están comprendidos en un

período de ola promedio.

Características Matemáticas


Entre las características matemáticas se incluyen la

velocidad, la velocidad de grupo y la energía de

las olas. Estas características son exclusivas y

dependen de si la onda viaja en aguas profundas o

someras. Para comprender las diferencias entre las

olas de aguas profundas y las de aguas someras, es

preciso entender los conceptos generales

relacionados con la velocidad de las olas.



Comencemos examinando las dimensiones de una onda idealizada, y la terminología utilizada para describir las ondas

La altura de las olas (H) se refiere al cambio total en la altura vertical entre la cresta de la ola (o pico) y el valle de la onda.

La altura de ola es el doble de la amplitud de la onda (a). La longitud de onda (L) es la distancia entre dos crestas

sucesivas (o dos valles sucesivos). La pendiente se define como la altura de ola dividida por la longitud de onda (H/L)

como puede verse en la Figura . El intervalo de tiempo en el cual dos crestas sucesivas (o dos valles sucesivos) pasan por

un punto fijo que se conoce como el período (T), y es generalmente medido en segundos. El número de crestas (o el

número de valles), que pasan por un punto fijo por segundo que se conoce como la frecuencia.

Pregunta: Si una onda tiene una frecuencia de 0,2 s-1, ¿cuál es su período? El período es el inverso de la frecuencia.



Tipos de ondas de superficie. Se muestran las relaciones entre la longitud de onda, la frecuencia de la onda y el periodo.

Así como la naturaleza de las fuerzas que los causan, y las cantidades relativas de energía en cada tipo de onda



La mayoría de las olas se producen como resultado de una perturbación no periódica del agua. Las partículas de agua se

desplazan desde una posición de equilibrio, y para recuperar esa posición requieren de una fuerza de restauración. La

fuerza de recuperación o restauración hace que una partícula de “se pase" a ambos lados de la posición de equilibrio.

Tales desplazamientos y restauraciones alternados establecen un movimiento oscilante característico, que en su forma

más simple tiene características sinusoidales y se conoce a veces como un movimiento armónico simple. En el caso de

las ondas de superficie sobre el agua, hay dos fuerzas que mantienen la restauración del movimiento oscilatorio:

1 La fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra.

2 Tensión superficial, que es la tendencia de las moléculas de agua a mantenerse unidas o pegadas para presentar la

menor superficie posible al aire En cuanto al efecto sobre ondas de agua se refiere, es como si una piel elástica débil se

extendiera sobre la superficie del agua.


Las ondas superficiales en el agua se ven afectadas por estas dos fuerzas. En el caso de las ondas con longitudes de

onda inferior a unos 1,7 cm, la fuerza de restauración principal es la tensión superficial, y estas ondas se conocen como

ondas capilares. Son importantes en el contexto de la teledetección de los océanos (percepción remota con satélites). Sin

embargo, el principal interés de los oceanógrafos corresponde a las ondas superficiales de longitudes de onda superiores

a 1,7 cm, y la principal fuerza de la restauración de estas ondas es la gravedad, por lo que se conoce como ondas de

gravedad


Las ondas de gravedad también se pueden generar en una interface entre dos capas de agua de mar de diferentes

densidades. Dado que la interfaz es una superficie, estas ondas son, estrictamente hablando, ondas de superficie, pero

por lo general los oceanógrafos se refieren a ellos como ondas internas. Estas ocurren con mayor frecuencia cuando

existe un rápido aumento de la densidad con la profundidad, es decir, un fuerte gradiente de densidad, o picnoclina.

Olas Generadas por el Viento en el Océano


En 1774, Benjamín Franklin dijo: "el aire en

movimiento, lo cual es el viento, al pasar sobre la

superficie lisa del agua, puede frotar, por así decirlo,

a esa superficie, y elevarla en arrugas, que, si el

viento continúa, son los elementos de las ondas de

futuro ».

En otras palabras, si dos capas de fluidos que

tienen diferentes velocidades están en contacto, hay

un esfuerzo de corte debido a la fricción entre ellos

y hay una transferencia de cantidad de movimiento y

energía. El esfuerzo de corte causado por la fricción

ejercida por un fluido en movimiento es proporcional

al cuadrado de la velocidad del fluido, por lo que el

esfuerzo del viento ejercido sobre una superficie de

agua es proporcional al cuadrado de la velocidad del

viento.


En 1925, Harold Jeffreys sugirió que las olas obtienen

energía del viento en virtud de las diferencias de presión

causada por la capacidad de protección proporcionada por

las crestas de las olas .

Aunque la hipótesis de Jeffreys no explica la formación de

olas muy pequeñas, parece funcionar si:

1. La velocidad del viento supera la velocidad de las olas.

2.La velocidad del viento excede de 1 m s-1

3. Las olas son muy empinadas, suficiente para

proporcionar una capacidad de protección o refugio.

Empíricamente, se puede demostrar que la capacidad de

protección es máxima cuando la velocidad del viento es

aproximadamente tres veces la velocidad de la ola.


Considere la secuencia de eventos que se produce

cuando, tras un período de tiempo de calma, un viento

empieza a soplar, el cual aumenta rápidamente a fuerza de

un vendaval, y sigue soplando con la fuerza de vendaval de

manera constante durante un tiempo considerable. No se

produce crecimiento de olas hasta que la velocidad del

viento excede de 1 m s-1. Luego, se forman pequeñas olas

empinadas a medida que aumenta la velocidad del viento.

Incluso después de que el viento ha alcanzado una enorme

fuerza constante, las olas continúan creciendo con rapidez

cada vez mayor hasta que alcanzan un tamaño y longitud

de onda adecuada a una velocidad que corresponde a un

tercio de la velocidad del viento. Más allá de este punto, las

olas siguen creciendo en tamaño, longitud de onda y la

velocidad, pero a un a razón cada vez más reducida .

El mar completamente desarrollado


Ya hemos visto que el tamaño de las olas en agua

profunda está regido no sólo por la velocidad del viento,

sino también por la cantidad de tiempo que el viento ha

estado soplando a esa velocidad. El tamaño de las olas

también depende de la distancia sin obstáculos en el mar,

sobre la que sopla el viento y que es conocida como fetch.

Siempre que el fetch sea lo suficientemente extenso y el

viento sople a una velocidad constante durante cierto

tiempo, se alcanza finalmente un equilibrio, en el cual la

energía es disipada por las olas a la misma velocidad que

las olas reciben la energía del viento. Este tipo de

equilibrio resulta en lo que se conoce como un mar

completamente desarrollado, en el que el tamaño y las

características de las olas no cambian. Sin embargo, la

velocidad del viento suele ser variable, por lo que el ideal

de mar completamente desarrollado, con olas de tamaño

uniforme, rara vez ocurre. La variación en la velocidad del

viento produce variación en el tamaño de las olas, por lo

que, en la práctica, un mar completamente desarrollado

consta de una gama de tamaños de olas que se conoce

como un campo de ondas.


La propagación del swell desde un

centro de tormenta, se muestra el

área en la cual se puede esperar la

presencia de swell.

A medida que la distancia hasta la

tormenta se incrementa, la longitud

de la cresta de la ola aumenta, con

una disminución correspondiente en

la altura de la ola.


En la parte superior tenemos un registro de oleaje realizado cerca del centro de una tormenta.

En la parte inferior tenemos un registro de swell, realizado muy lejos de la tormenta


Los oceanógrafos encuentran conveniente el

considerar un campo de ondas como un

espectro de energías de onda. La energía

contenida en una onda individual es

proporcional al cuadrado de la altura de ola

Altura de las olas


Como se dejó entrever

anteriormente, la altura de cualquier

ola real está determinada por

muchas ondas componentes, de

diferentes frecuencias y amplitudes,

que se mueven dentro y fuera de

fase.

El registro de oleaje de la Figura

ilustra el rango de altura de las olas

se produce en un corto período de

tiempo en un solo lugar - no existe

un patrón obvio para la variación de

la altura de las olas.

Altura de las olas


Para muchas aplicaciones que tienen

que ver con las olas, es necesario

elegir una altura de ola única que

caracterice a un estado del mar en

particular. Muchos oceanógrafos

utilizan la altura significativa del

oleaje, H1/3, que es la altura media del

tercio más alto de las olas del registro.

En cualquier registro de oleaje, habrá

también una altura de ola máxima,

Hmax. La predicción de la Hmax. durante

un período determinado de tiempo tiene

un gran valor en el diseño de

estructuras tales como barreras contra

inundaciones, instalaciones portuarias y

plataformas de perforación.

Altura de las olas


Colocando una boya tipo “WaveRider”

para medir las características del oleaje

en el sitio

Altura de las olas


Registro del oleaje con una duración de

seis (6) minutos. En el eje horizontal

tenemos a el tiempo en segundos y en

el eje vertical tenemos a la altura en

metros.

Altura de las olas


Método de análisis del registro del

oleaje. Una ola se define como la

porción del registro ubicada entre dos

cruces hacia arriba.

Altura de las olas


A medida que aumenta la velocidad del

viento, aumenta H1/3 en el mar

completamente desarrollado. La

relación entre el estado del mar, H1/3 y

la velocidad del viento se expresa en la

escala Beaufort . La escala Beaufort se

puede utilizar para estimar la velocidad

del viento en el mar, pero es válida sólo

para las olas generadas en el sistema

del clima local

Teoría de las ondas de superficie


Para simplificar la teoría de las ondas superficiales suponemos aquí que la forma de la onda es sinusoidal y que puede ser representada por la curva que se muestra en la figura. Este supuesto nos permite considerar el desplazamiento de onda como un movimiento armónico simple, i.e. como una variación sinusoidal del nivel del agua causada por el paso de la ola. La figura superior muestra cómo el desplazamiento varía con la distancia en un instante fijo en el tiempo - una 'foto de las ondas que pasan - mientras que la figura inferior muestra cómo el desplazamiento de onda varía con el tiempo en un punto fijo.


Las curva que se muestra en las Figura superior es sinusoidal. Sin embargo, la mayoría de las ondas generadas por el viento no tiene formas sinusoidales simples. Cuanto más empinada sea la ola, más se aparta de una curva sinusoidal simple. Las olas muy empinadas se asemejan a una curva trocoidal, como la que se ilustra en la Figura inferior

Movimiento de las partículas de agua


Las partículas de agua en una ola en aguas profundas se mueven en una trayectoria casi circular cerrada. En las crestas de las olas, las partículas se mueven en la misma dirección que la dirección de propagación de la ola, mientras que en los valles se están moviendo en la dirección opuesta. En la superficie, el diámetro orbital corresponde a la altura de ola, pero los diámetros disminuyen exponencialmente al aumentar la profundidad, hasta a una profundidad aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda (L/2), el diámetro orbital es insignificante, y prácticamente no hay desplazamiento de las partículas de agua. Esto tiene importantes aplicaciones prácticas . Por ejemplo, un submarino sólo tiene que sumergirse a unos 150 metros para evitar los efectos de la tormenta más severa en el mar,


En aguas donde la profundidad es

menor de lo que la mitad de la longitud

de onda las olas comienzan a `sentir ' el

fondo del mar, y las órbitas se vuelven

progresivamente aplastadas con la

profundidad. En este caso la

profundidad es menor que L/2 pero

mayor que L/20. Estas son aguas

intermedias para las olas de longitud de

onda igual a L.

Muchas Gracias...

Documents

Título de la Presentación · 2. La perturbación se propaga a través del material sin ningún movimiento sustancial general de la propia materia. (Un corcho flotando simplemente