短波(深水波)速度公式如下:
长波(浅水波)速度公式如下:
函数,称为双曲线正切。
一般前进波的波长、周期和波速的关系为:
λ=ct (4-5)
(4-2),(4-5)两式表示波长、波速都与水深有关,与波高无关。
同样,深水波(短波)(4-5)式可简化为:
若将g及π的数值代入,便可得到短波(深水波)的波长、周期和波速三者的简单关系(单位为米、秒和米/秒),见表4-3。
上述关系虽是在小振幅的假定下求得的,但能近似地应用于实际的海浪。
理论证明,波动是随深度而迅速减弱的,水质点的轨迹半径(或波浪的振幅)随深度增加,按指数律递减:
u=u0e-kh (其中u0=σa) (4-9)
因此,水质点的运动速度和振幅一样,也随着深度增加按指数律递减(表4-5)。
2)小振幅驻波(立波)进行波在其传播过程中,当进行波遇到海岸时便反射回去,形成反射波,它与进行波相干涉,便形成驻波,它是由两组振幅、波长及周期相同而传播方向相反的波迭加而成的。
驻波的特点是波峰没有水平移动,波峰和波谷在一定海区内,具有周期性的升降运动,升降幅度最大断面,称为波腹;波面上没有升降的点,称为波节。在驻波中,水质点运动不同于前进波,在波腹处的水质点,只有垂直方向的运动;在节点处的水质点,仅有水平方向的运动;此外,在波面上其余各点,既有水平分速,也有垂直分速。驻波水质点运动轨迹,不是圆形,也不是椭圆形,而是抛物线形,质点运动速度最大值比余波大一倍,波高为原来波高的两倍,而波长却保持不变,相邻两个波节间的水平距离为半个波长。
2.长波(浅水波)
除了上面讨论的短波之外,在海洋里还存在一种波长很长的波浪。这种波浪不易察觉,需用仪器进行观测。例如潮波,其波长有时可达数千米,但
长波的速度由下式决定:
上式指出长波波速只取决于水深,而与波长无关。这一结论符合实际情况。如大洋平均深度为3800米,按式(4-10)计算,得到长波波速为690千米/时,即便在浅海,深度以200米计,波速尚能达到160千米/时,可见长波速度传播之快。
长波中的水质点运动与短波也有所不同,其运动轨迹为一扁椭圆,长轴随水深变化不大。也就是水平速度随深度几乎不变,只在海底附近,由于海底摩擦的影响而迅速减小,在海底质点运动为零。但短轴随深度的加大,则呈线性递减。因此,当达到一定深度后,水质点的运动轨迹实际上已接近于一直线,质点基本上只作前后的往复运动,而不具有垂直速度。
(二)有限振幅波动
上面讨论了小振幅波的某些性质。讨论时,假定了波动的振幅相对于波长为无限小,在这种假定之下,因波动引起的流体质点速度均可视为小量,因此波动函数所应满足的方程和边界条件都是线性的,正因为如此,这些波动属于线性波动理论的范畴。事实上,在小振幅假定之下得到的结果,无法解释实际波动中的某些现象。为了获得更接近于实际情况的理论结果,许多学者努力在理论上加以发展,于是出现了有限振幅波动的理论。
有限振幅波有正弦波(摆线波)、斯托克斯波、椭圆余弦波和孤立波4种类型。
1.斯托克斯波 除了振幅相对于波长不视为小量这一点外,它与前面讨论过的小振幅前进波类似,也是一种无旋转的、表面呈周期性起伏的波动。事实上,小振幅前进波是斯托克斯波的一种特殊情况,如果取斯托克斯波的最低阶段(一阶)近似,它就是小振幅前进波。这种波动是斯托克斯于1847年提出的。此后,由于应用方面的需要,许多学者对这种波动进行了大量的研究,其结果在海洋工程和海浪研究方面都得到了应用。