Las Olas del Mar

La velocidad de la idealizada propagación de olas del mar es dependiente de la longitud de onda y para aguas suficientemente poco profunda, depende también de la profundidad del agua. La relacione de la velocidad de la ola es

Cualquier tratamiento simplificado de las olas del mar, está destinado a ser inadecuado para describir la complejidad de la materia. Sin duda es un tema que ha sido estudiado a fondo, pero no hay un modelo que pueda aplicarse a todos los casos. Se resume a continuación, algunas de las cosas que se han aprendido.

Se presume que las olas del mar obedecen la relación de onda básica c=fλ , donde c se usa tradicionalmente para la velocidad de la ola o "celeridad". El término "celeridad", significa velocidad de propagación de la ola, respecto al agua estacionaria, de modo que cualquier corriente o velocidad neta del agua, se debe añadir a aquella.

La forma de una ola del mar, se dibuja a menudo como una onda sinusoidal, pero la forma de onda experimental se describe como una "trocoide". Una trocoide, se puede definir como la curva trazada por un punto de un círculo, cuando el círculo rueda sobre una línea recta. El siguiente esquema está adaptado de Bascom.

La forma trocoide se acerca a la forma senoidal, para pequeñas amplitudes, pero quiza pueda ver que la forma es diferente, con un estrechamiento de los picos del trocoide comparado a la sinusoide. Este estrechamiento de los picos o empinamiento, es mas pronunciado conforme aumenta la amplitud.

El descubrimiento de la forma trocoidal, vino de la observación de que las partículas del agua, ejecutarían un movimiento circular, cuando pasa la ola sin un significativo avance neto de su posición. El movimiento del agua es hacia adelante cuando pasa el pico de la ola, pero hacia atrás cuando pasa el valle de la ola,llegando de nuevo a la misma posición cuando llega el siguiente pico de ola. (En realidad, los experimentos muestran un ligero avance del agua con las olas, pero ese avance es pequeño en comparación con el movimiento circular general.)

La ilustración de arriba, adaptada de von Arx, muestra la dirección del movimiento del agua, en diferentes puntos a lo largo de la ola.

Bascom describe experimentos en tanques de ondas donde se estudió la circulación del agua. Los círculos sumarizan el movimiento total del medio, cuando pasa una longitud de onda completa. Como una práctica común se inyectó gotas de aceite, blanqueadas con óxido de cinc y ajustadas para que tuvieran la misma densidad que el agua. Por los laterales transparente del tanque, se pudieron observar y trazar las órbitas. Se encontró que hubo una pequeña progresión de las órbitas en la dirección de propagación de la ola.

El hecho de que el movimiento del agua en la profundidad se aplana en una subida hacia adelante y hacia atrás se observa fácilmente por los buzos en los arrecifes de poca profundidad. El efecto de las ondas que viajan por arriba se traduce en el movimiento hacia adelante y hacia atrás de un buzo suspendido sobre un arrecife, y tambien puede ser visto en el movimiento de los corales y la vegetación.

Toda la descripción de las olas anteriores corresponde a las de longitud de onda larga que von Arx llama "olas de gravedad", lo que implica que son controladas principalmente por la gravedad y la inercia. Sus velocidades de ondas aumentan con la longitud de onda, un comportamiento al que se llamó "dispersión normal". Para las más cortas que 1,73 cm, la tensión superficial del agua ejerce una fuerza de control y von Arx las llama "olas capilares". Su velocidad aumenta a medida que la longitud de onda se acorta, un comportamiento que se llamó "dispersión anómala". La mínima velocidad de propagación en la longitud de onda de 1,73 cm es de 23,1 cm/s. La siguiente dependencia de la velocidad en aguas profundas de la longitud de onda, es una adaptación de von Arx.

Las pequeñas ondulaciones u ondas capilares se observan por primera vez cuando un viento fresco sopla sobre el agua en calma. Tienen crestas y valles en forma de V redondeadas. Von Arx describe estas olas como la forma en que el viento "calma" el agua, ya que son numerosas y son movidas lentamente por el viento. Se cuentan historias de marineros que primero observaron estas olas capilares cuando el viento arreciaba, y más tarde experimentaron el oleaje de las olas de gravedad, por lo que se pensaba que las olas capilares fueron el primer mecanismo por el cual el viento daba energía al agua. A medida que las olas de gravedad se acumulan, su longitud de onda tiende a alargarse y la velocidad aumenta hasta que coincide con la velocidad del viento, momento en el que ya no pueden extraer energía del viento.

La forma de trocóide que se atribuye a las olas del océano cambia cuando aumenta la amplitud para una determinada longitud de onda.

Modelos de Onda Trocoide

A la izquierda se ilustra el cambio de forma para una simple longitud de onda, pero el pico tiende a hacerse mas estrecho y pronunciado a medida que aumenta la amplitud para una determinada longitud de onda. Bascom informa de evidencia experimental en tanques de oleaje que sugiere que una proporción de 1:7 entre la altura del pico a la longitud de onda es el máximo, y que un ángulo de 120° es el ángulo mínimo para un pico. Por encima de esta proporción los picos se vuelven inestables. El esquema de ola de abajo está a escala de esa proporción de 1:7 entre la distancia de pico a valle en comparación con la longitud de onda.

A medida que las olas se mueven hacia la playa, el agua superficial disminuye la velocidad de propagación, por lo que la longitud de onda se hace más corta y las alturas de los picos aumenta. Los picos de las olas se vuelven inestables y, moviéndose más rápido que el agua de abajo, rompen hacia delante.