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En dinámica de fluidos y terminología náutica , una ola rompiente es aquella que posee la energía suficiente para " romper " en su punto máximo, alcanzando un nivel crítico en el que la energía lineal se transforma en energía de turbulencia con una curva de avance bien definida. En este punto, los modelos físicos sencillos que describen la dinámica de las olas suelen dejar de ser válidos, especialmente aquellos que asumen un comportamiento lineal.
El tipo de ola rompiente más conocido es la que se produce en la superficie del agua en la costa. La ruptura de olas generalmente ocurre cuando la amplitud alcanza el punto en que la cresta de la ola se invierte. Ciertos otros efectos en la dinámica de fluidos también se han denominado "olas rompientes", en parte por analogía con las olas en la superficie del agua. En meteorología , se dice que las ondas de gravedad atmosféricas se rompen cuando la ola produce regiones donde la temperatura potencial disminuye con la altura, lo que lleva a la disipación de energía a través de la inestabilidad convectiva ; de manera similar, se dice que las ondas de Rossby se rompen [ 1 ] cuando se invierte el gradiente de vorticidad potencial . La ruptura de olas también ocurre en plasmas , [ 2 ] cuando las velocidades de las partículas superan la velocidad de fase de la ola . Otra aplicación en la física de plasmas es la expansión de plasma en el vacío , en la que el proceso de ruptura de olas y el desarrollo posterior de un pico de iones rápidos se describe mediante la ecuación de Sack-Schamel.
Un arrecife o una zona de aguas poco profundas, como un banco de arena contra el que rompen las olas, también puede conocerse como rompeolas.
Tipos
La ruptura de las olas superficiales puede ocurrir en cualquier lugar donde la amplitud sea suficiente, incluso en alta mar. Sin embargo, es particularmente común en las playas, porque la altura de las olas se amplifica en la zona de aguas menos profundas debido a que la velocidad de grupo es menor allí .
Existen cuatro tipos básicos de olas rompientes. Son las que se derraman, las que se sumergen, las que colapsan y las que surgen de golpe. [ 3 ]
Rompedores de desbordamiento
Cuando el fondo marino tiene una pendiente suave, la ola se vuelve más pronunciada hasta que la cresta se desestabiliza, generando espuma turbulenta que se extiende por la superficie. Este proceso continúa a medida que la ola se acerca a la costa, y su energía se disipa lentamente en la espuma. Por ello, las olas que rompen durante más tiempo que otras olas, creando una superficie relativamente suave. Los vientos que soplan hacia la costa aumentan la probabilidad de que se formen olas que rompen durante más tiempo.
Rompeolas
Una ola rompedora se produce cuando el fondo marino es empinado o presenta cambios bruscos de profundidad, como en el caso de un arrecife o un banco de arena. La cresta de la ola se vuelve mucho más pronunciada que la de una ola normal, alcanzando una posición vertical, para luego curvarse y caer sobre el valle, liberando la mayor parte de su energía de golpe en un impacto relativamente violento. Una ola rompedora rompe con más energía que una ola normal, que es significativamente mayor. La ola puede atrapar y comprimir el aire bajo el borde, lo que crea el sonido característico de las olas al romper. Con olas grandes, este impacto puede ser sentido por quienes se encuentran en tierra. Las condiciones de viento mar adentro pueden aumentar la probabilidad de que se produzcan olas rompedoras.
Si una ola rompiente no es paralela a la playa (o al fondo marino), la sección que llega a aguas poco profundas romperá primero, y esta sección (o rizo) se desplazará lateralmente a lo largo de la cara de la ola mientras esta continúa su curso. Este es el "tubo" tan codiciado por los surfistas (también llamado "barril", "pozo" o "sala verde", entre otros términos). El surfista intenta mantenerse cerca o debajo del borde de la ola, a menudo procurando permanecer lo más adentro posible del tubo, pero pudiendo impulsarse hacia adelante y salir del mismo antes de que se cierre. Una ola rompiente paralela a la playa puede romper a lo largo de toda su extensión de una sola vez, lo que la hace imposible de surfear y peligrosa. Los surfistas se refieren a estas olas como "cerradas".
Colapso
Las olas colapsantes son una mezcla entre olas rompientes y olas que se elevan rápidamente, en las que la cresta nunca se rompe por completo, pero la cara inferior de la ola se vuelve más empinada y colapsa, lo que da como resultado espuma.
Aumento
Las olas rompientes se originan a partir de olas de largo período y baja pendiente y/o perfiles de playa pronunciados. El resultado es el rápido movimiento de la base de la ola hacia arriba de la pendiente de resaca y la desaparición de la cresta de la ola. La cara frontal y la cresta de la ola permanecen relativamente lisas con poca espuma o burbujas, lo que resulta en una zona de rompiente muy estrecha , o incluso la ausencia total de olas rompientes. El breve y brusco estallido de energía de la ola significa que el ciclo de resaca/resaca se completa antes de la llegada de la siguiente ola, lo que conduce a un bajo valor de la diferencia de fase de Kemp (< 0,5). Las olas rompientes son típicas de estados de playa reflectantes. En playas más empinadas, la energía de la ola puede ser reflejada por el fondo de vuelta al océano, causando olas estacionarias .
Física
Cuando las olas de la superficie del océano entran en aguas poco profundas, las velocidades de las partículas de agua comienzan a moverse más rápido en relación con la velocidad de la forma de onda. Como resultado, la forma de onda se vuelve inestable y la cresta de la ola se invierte, lo que se conoce como el proceso de ruptura de la ola. [ 4 ] Durante la ruptura, se forma una deformación (generalmente un abultamiento) en la cresta de la ola, cuyo lado delantero se conoce como "punta". Se forman ondas capilares parásitas, con longitudes de onda cortas. Aquellas por encima de la "punta" tienden a tener longitudes de onda mucho más largas. Sin embargo, esta teoría dista mucho de ser perfecta, ya que es lineal. Se han propuesto un par de teorías no lineales del movimiento (en relación con las olas). Una de ellas utiliza un método de perturbación para extender la descripción hasta el tercer orden, y desde entonces se han encontrado mejores soluciones. En cuanto a la deformación de las olas, se han creado métodos muy parecidos al método de la integral de contorno y al modelo de Boussinesq .
Se ha descubierto que los detalles de alta frecuencia presentes en una ola rompiente influyen en la deformación y desestabilización de la cresta. La misma teoría amplía este concepto, afirmando que los valles de las ondas capilares generan vorticidad . Se dice que la tensión superficial (y la viscosidad ) son significativas para olas de hasta aproximadamente 7 cm (3 pulgadas) de longitud de onda. [ 5 ]
Sin embargo, estos modelos son defectuosos, ya que no pueden tener en cuenta lo que sucede con el agua después de que la ola rompe. La formación de remolinos posteriores a la ruptura y la turbulencia generada por la misma son aspectos poco estudiados. Por lo tanto, es comprensible que resulte difícil obtener resultados predecibles del océano.
Tras el vuelco de la punta de la ola y el colapso del chorro, se crea un vórtice horizontal muy coherente y definido . Las olas que rompen en picado generan remolinos secundarios a lo largo de la cara de la ola. Los pequeños remolinos horizontales aleatorios que se forman en los laterales de la ola sugieren que, quizás, antes de romper, la velocidad del agua es más o menos bidimensional. Esta se vuelve tridimensional al romper.
Tras romperse, el vórtice principal situado en el frente de la ola se difunde rápidamente hacia el interior, a medida que los remolinos de la superficie se vuelven más viscosos. La advección y la difusión molecular contribuyen a estirar el vórtice y a redistribuir la vorticidad, así como a la formación de cascadas de turbulencia. De este modo, la energía de los grandes vórtices se transfiere a vórtices isotrópicos mucho más pequeños.
Se han realizado experimentos para deducir la evolución de la turbulencia tras la ruptura de la ola, tanto en aguas profundas como en la playa.
Un límite teórico para la pendiente de las olas no rompientes en profundidad finita viene dado por el criterio de Miche , derivado por el ingeniero francés Robert Miche en 1944. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Véase también
- Número de Iribarren – Parámetro adimensional
- Turbulencia de ondas : conjunto de ondas no lineales que se desvían considerablemente del equilibrio térmico.
Referencias
- ↑ «AGU – Unión Geofísica Americana» . AGU .
- ↑ Arkhipenko, VI; Gusakov, EZ; Pisarev, VA; Simonchik, LV (junio de 2002). Dinámica de los fenómenos de ruptura de ondas de plasma (PDF) . 29.ª Conferencia EPS sobre física de plasma y fusión controlada. Montreux, Suiza. Archivado del original (PDF) el 28 de septiembre de 2011. Recuperado el 5 de noviembre de 2022 .
- ↑ Sarpkaya, Turgut; Isaacson, Michael (1981). Mecánica de las fuerzas de las olas sobre estructuras marinas . Van Nostrand Reinhold. pág. 277. ISBN 978-0-442-25402-5.
- ↑ Chase, Jonathan (marzo de 2025). "Cuantificación de las características estadísticas de las olas rompientes en un entorno idealizado de arrecife de franja: experimento y simulación no hidrostática XBeach". International Journal of Ocean and Coastal Engineering . 6 (1n04). doi : 10.1142/S2529807025500010 .
- ↑ Lighthill, MJ (1978). Ondas en fluidos . Cambridge University Press . págs. 223–225 y 232–235. ISBN 0-521-29233-6OCLC 2966533
- ^ Miche, M. (1944), "Mouvements ondulatoires de la mer en profondeur constante ou décroissante. Forme limite de la houle lors de son déferlement. Application aux digues marítimos". [ Movimientos ondulatorios del mar en profundidad constante o decreciente: forma limitante de la ola al romper. Aplicación a estructuras marítimas. ] , Annales des Ponts et Chaussées (en francés), 114 ( 1): 25-78
- ↑ Holthuijsen, LH (2007), Waves in Oceanic and Coastal Waters , Cambridge University Press, p. 242, ISBN 978-1139462525
- ↑ Goda, Y. (2010), Mares aleatorios y diseño de estructuras marítimas (3.ª ed.), World Scientific, pág. 213, ISBN 978-9814282406
Enlaces externos
- olas de agua