ГЛАВА 8. Характеристики волн и течения

ГЛАВА 8. Характеристики волн и течения

При движении против волнения не высота и не длина волн по отдельности, а их крутизна уменьшает скорость яхты и представляет опасность для плавания. Длинная волна, как бы высока она ни была, не опасна для любой маленькой яхты и не должна никого беспокоить, кроме страдающих морской болезнью.

Крутизна характеризуется отношением длины волны к ее высоте. И, поскольку размеры волны зависят от ее высоты, а скорость движения воды — от длины, то эти характеристики должны рассматриваться одновременно — по их влиянию на продвижение и безопасность плывущей яхты. Например, говорят, что метровая волна длиной 20 метров имеет крутизну 1/20. Крутизна может быть выражена в процентах, тогда для предыдущего примера крутизна равна (1/20) х100 %, то есть 5 %.

Крутизна редко превышает 1/10 (10 %), при достижении такой величины начинается обрушение гребня и волна разрушается.[10] Теоретически максимально возможная крутизна равна 1/7 (14, 3 %) и не зависит от высоты волны — будет ли она 10 метров или только 0, 5 метра; в море волны с такой крутизной практически никогда не встречаются.[11]

В крутых волнах орбитальная скорость на гребнях (скорость вращения частиц на гребнях, рис. 35) гораздо больше орбитальной скорости на мелководье, вычисленной теоретически. Когда на гребнях орбитальная скорость превышает скорость самой волны, частицы воды, так сказать, пытаются ее обогнать, и в этот момент происходит обрушение.

Рис. 44. Типичная форма морской волны. Гребни уже ложбины, передние склоны круче тыловых

В определение крутизны не входит максимальный градиент[12] волнового склона. Этот градиент может существенно изменяться и в некоторых случаях бывает направлен к гребням почти вертикально, хотя с такими волнами маленьким судам приходится сталкиваться редко.

Форма волн на поверхности воды может существенно отличаться от большинства других роли в природе. Обычно гребни круче и уже, а ложбины более плоские и длинные. Передний склон волны обычно круче, чем задний (тыловой). На рис. 44 показана типичная форма ветровой волны.

Влияние мелководья

Когда волны набегают на мелководье, где глубины менее половины длины волн, волнение претерпевает значительное изменение. Мелководье не влияет на период волн, но это единственная характеристика, которая остается неизменной. Изменяется форма и уменьшаются длина и скорость волны. Гребни становятся круче и уже, а ложбины площе. В результате на поверхности воды видны изолированные волны, а не следующие друг за другом волновые системы.

Пологие волны могут проходить мелководье без обрушения, но при достижении максимальной крутизны гребни будут опрокидываться. Широко известно, что по обрушению волн можно судить о наличии мелководий, которые не обязательно возвышаются над поверхностью воды.

Причина этих изменений — уменьшение скорости волны из-за ограниченной глубины. Это хорошо видно при наблюдении за лодками, плывущими по очень мелкому месту. При движении любой лодки создаются корабельные волны, которые перемещаются со скоростью лодки. На очень мелкой воде скорость корабельной волны ограничена глубиной воды. Иногда корабельная волна становится крутой, тогда она опрокидывается, сильно препятствуя попыткам ускорить движение лодки.

Рефракция волн

Замедление волн при косом подходе к мелководью приводит к рефракции. Из-за рефракции направление фронта волн, независимо от первоначального угла подхода, разворачивается параллельно берегу. Почти всем хорошо известен вид обрушивающейся гряды волн, движущейся примерно параллельно береговой линии криволинейного залива. Возникает вопрос: «Почему волны не продолжают идти прямолинейным путем, как в открытом море?»

Рефракция вызывается замедлением движения фронта волн при приближении к мелководью. Когда фронт волн подходит под некоторым углом, то вначале тормозится ближайший к берегу участок фронта, а другой его конец в это время идет с прежней скоростью. Постепенно, с уменьшением глубины, внутренняя часть фронта начинает двигаться медленнее, чем внешняя, и наконец весь фронт волн в целом разворачивает к линии берега; это чем-то напоминает поворот шеренги войск, когда внутренний ее конец шагает на месте, а внешний марширует полным шагом.

Рис. 45. При выходе волн на мелководье замедление одного конца фронта раньше другого вызывает рефракцию

На рис. 45 показана рефракция волн, бегущих с глубокой воды на внезапно появившееся мелководье. Конечно, в природе между различными глубинами редко имеется четкая граница, но для наших целей этот пример наиболее удобен. Один конец волнового фронта замедляется раньше, чем другой, что, в свою очередь, приводит к уменьшению длины волны на этом участке, и в результате фронт волн частично поворачивает к береговой линии. Общее изменение фронта волн полностью зависит от относительных длин волн на глубокой и мелкой воде (см. также рис. 83 и 84).

На рис. 46 сделана попытка показать подход волн к заливу с постепенно изменяющимися глубинами. Гребни волн (показаны штриховыми линиями), приближаясь к пляжу, стремятся к положению, параллельному линии берега.

Рис. 46. Волны, набегающие на пляж в заливе Пунктир — гребни волн, сплошные линии — направление их движения

Волновые течения

Сплошные линии, начерченные на рис! 46 под прямым углом к гребням, показывают генеральное направление движения волн. Из рисунка видно, что эти линии немного сходятся около мысов и расходятся в середине залива. В месте схождения этих линий можно ожидать более крупные волны. Там, где линии расходятся, волны будут более низкие. Это явление совершенно не зависит от наличия волнозащитных сооружений и так же справедливо для залива, открытого волнению.

Рис. 47. Волновые течения, образующиеся в заливе, показанном на рис 46. Концентрация волн у мысов и расхождение в заливе вызывает неравномерное распределение воды и течения

Указанные изменения высот волн имеют большое значение для плавающих вдоль криволинейного берега, на который набегают большие волны. Волны переносят большие массы воды, и при их концентрации около препятствия (такого, как берег) скапливаются излишки воды. Эти излишки уносят течения, идущие от района с более высокими волнами к районам с более низкими волнами. На рис. 47 изображено направление этих течений в заливе, показанном на рис. 46. Обычно такие течения слабые и часто замаскированы более сильными приливными потоками, но при определенных условиях эти вдольбереговые течения могут быть достаточно значительными, особенно если волны длинные.

Во многих заливах для защиты от эрозии вдольбереговыми течениями имеются волноломы или низкие молы, расположенные под прямым углом к береговой линии. Об эффективности этих сооружений и о силе течений можно судить по количеству осадков, переносимых вдоль волноломов.

При переносе воды волнами, идущими к препятствию (берегу), средний уровень воды по сравнению с открытой частью залива повышается. Эта неестественная разница в уровне воды временами выравнивается с помощью разрывных течений, несущих воду в море Из-за изменчивости высот волн разрывные течения обычно пульсируют, их скорость может достигать двух узлов.

Разрывные течения движутся от берега узкими полосами против набегающих волн и иногда с высокого наблюдательного пункта могут быть видны как полосы пены, относимые в море от береговой прибойной зоны. На наличие разрывных течений может указывать узкая полоса более крутых волн, распространяющихся в море. Разрывные течения проявляются случайным образом, но на некоторых пляжах, обычно около волноломов и пирсов, течения вырывают каналы в песке, и тогда вода идет по этим каналам.

Рис 48. Вдольбереговое течение, вызываемое волнами.

Рефракция не всегда разворачивает волны абсолютно параллельно береговой линии. Часто волны разбиваются под некоторым углом к берегу, тогда вдоль него может возникнуть течение. Генеральное направление течения и волн будет примерно параллельным берегу. На рис. 48 показано возможное направление течений.

Маловероятно, чтобы волновые течения воздействовали на яхты, так как эти течения проявляются вблизи берега, где яхты обычно не осмеливаются плавать. Однако в слабый ветер, при подходе длинных волн зыби, вдольбереговые течения могут наблюдаться достаточно далеко от берега и их можно использовать во время соревнований. Более того, необходимо помнить, что при наличии препятствий типа пирса или волнолома течение будет усиливаться и может отклоняться в сторону моря.

Парусные лодки, видимо, более подвержены влиянию разрывных, чем вдольбереговых течений. Разрывные течения распространяются гораздо дальше в море, но их сила и даже направление гораздо менее предсказуемы во всех случаях, кроме движения по подводным каналам.

Отражение волн

На глубокой воде волны могут отражаться от препятствий. Отраженная волна идет под тем же углом, что и набегающая, это показано на рис. 49.

Если препятствие, например стенка или откос расположено под прямым углом к направлению движения волны (или параллельно ее фронту), то волны отражаются точно назад. Отраженные волны накладываются на набегающие, гася их в месте совпадения гребня с ложбиной и увеличивая при совпадении гребней. Образованные таким образом волны известны как стоячие, или толчея.

Рис. 49. Отражение волн, подходящих под углом к стенке. Угол подхода i равен углу отражения r.

Одно из наиболее интересных свойств стоячих волн заключается в том, что если фронт набегающей волны и препятствия параллельны, то образовавшиеся стоячие волны имеют только вертикальное движение и не имеют горизонтального, то есть они движутся вверх и вниз, не перемещаясь вперед. Высота стоячих волн в два раза больше набегающих, а поскольку длина одинаковая, то крутизна также в два раза больше.

Разница между обычными и стоячими волнами очень хорошо видна при сравнении движения лодок, пришвартованных к сквозным причалам и сплошным стенкам. В первом случае на лодки влияет движение волны, и они попеременно дергаются и поднимаются на швартовых, во втором случае лодки поднимаются вверх и вниз почти вертикально, прыгая больше, чем на обычных неотраженных волнах.

При идеальных условиях (когда набегающие волны имеют одинаковые длины) отраженная волновая картина правильная, но обычно такие условия не наблюдаются, и отраженные волны при встрече с набегающими образуют крутые холмы, расположенные беспорядочно — без видимой закономерности или системы. Эта толчея может распространяться на значительное расстояние от препятствия. Плавание на таком волнении оправдано только при обходе сильного встречного течения или существенном сокращении пути, в остальных случаях пребывание в таких волнах является большой ошибкой. При сильном волнении и ветре беспорядочные и крутые волны не только опасны для маленькой яхты. При «подпрыгивании» почти весь ветер «выбьется» из парусов и развернет яхту так, что ее скорость будет весьма незначительна по сравнению со скоростью, которую она могла бы развить при таком же ветре, но менее суровых волновых условиях.

Если волны на глубокой воде ударяются о стенки или береговой обрыв под углом, то волновая картина аналогична показанной на рис. 50 Набегающие гребни волн (оплошные линии) встречаются с отраженными (штрихпунктирные линии) в различных точках, показанных на рисунке черными кружками. В этих местах высота волн будет равна удвоенной высоте набегающей волны. Между этими ликами находятся впадины (показанные на рисунке белыми кружками), равные удвоенной глубине ложбин набегающих волн. Крайне маловероятно, что в природе картина набегающих волн будет настолько регулярна, как это показано на диаграмме, но принцип сохраняется.

Рис. 50. Картина, образующаяся при косом отражении волн от стенки Отраженные волны, сталкиваясь с набегающими, образуют пучности (черные кружки) и ложбины (светлые кружки) удвоенной высоты и глубины

Дифракция волн

Волны обладают также свойством, известным под названием «дифракция». Из-за дифракции волны после прохождения препятствия типа волнолома разворачиваются род прямым углом к своему первоначальному направлению и распространяются на гладкую до этого поверхность[13]. Например, после входа в гавань волна без всякого отражения веерообразно распространяется по поверхности, защищенной от непосредственного воздействия волн. Когда волна дифрагирована, ее масса распределена на большем пространстве и, следовательно, высота уменьшается.

Наиболее важным свойством дифрагированной волны, огибающей конец стенки или волнолома, является увеличение высоты внутри входа и на прямой линии к нему. На рис, 51, где толщина линии соответствует высоте волн, видны места возможного увеличения высоты и представлена дифракция внутри гавани.

Рис. 51. Дифракция волн при входе в гавань. За стенкой изменяется направление фронта волны. Высота волны схематически показана толщиной линии, изображающей фронт волны.

При следовании в порт на попутном волнении важно помнить об увеличении высот волн у краев входа.

Влияние ветра и течения

Умеренный ветер, дующий навстречу быстрому течению, будет всегда вызывать крутые, короткие, беспорядочные волны, которые при достаточно сильном ветре и течении опрокидываются. Течение, идущее навстречу волнам, замедляет и укорачивает их. Волны как бы сжимаются в горизонтальном направлении, при этом они, естественно, становятся круче.

Большинство яхтсменов хорошо знает о крутом беспорядочном волнении на приливном потоке, направленном против ветра, а по крутизне волн можно судить о том, где течение достигает наибольшей силы. В главе 6 при обсуждении появления ряби от слабых ветров и роли течения в этом процессе подчеркивалось, что учет относительных скоростей и направлений ветра и течений необходим при использовании внешних признаков для выбора наиболее благоприятного курса. Аналогичные соображения важны и при встрече с крупными волнами.

Относительно крутые и, возможно, обрушивающиеся волны могут означать или наличие более сильного течения, или, при том же течении, более сильный ветер, чем в прилегающих районах. Важно представлять, который из этих двух взаимоисключающих факторов вызывает увеличение крутизны волн. Если это полоса более сильного ветра, то он может скоро исчезнуть и при выборе курса его не стоит принимать во внимание. Если увеличение крутизны вызвано течением, то, вероятно, оно останется постоянным дольше и поэтому может быть более надежным помощником. Топография района, а также информация о ветре и течениях из соответствующих глав должны помочь в формировании мнения по затронутым вопросам.

Течение против ветра

На рис. 52 показаны волны на поверхности воды, где постоянный ветер дует против течения. Тонкими линиями представлены относительно пологие волны (течение слабое), толстыми — более крутые (течение более сильное).

Если течение постоянно, а скорость ветра переменна, то более крутые волны будут наблюдаться там, где сильнее ветер.

Если колебания крутизны волны вызваны различной скоростью течения, то у яхты, идущей в лавировку, обычно лучший ход в районе с крутыми волнами. Здесь может быть единственное исключение- когда встречное влияние очень крутых волн компенсирует преимущество от попутного течения или когда большая крутизна волн заставляет маленькую яхту принимать на борт чрезмерное количество воды и брызг.

При тех же условиях на фордевинде (и, следовательно, против течения) лучше остаться на более пологих волнах и более слабом встречном течении. Единственным исключением из этого правила является случай, когда яхте, глиссирующей при попутном ветре, помогают более крутые волны. В этом случае дополнительная скорость относительно воды может быть важнее, чем проигрыш из-за более сильного встречного течения.

Рис. 52. Изменение высоты волны на течении против ветра

При следований в галфвинд через изменчивое волнение редко имеется возможность значительно изменить курс, поэтому прямой курс — обычно самый лучший. Следовательно, в этом случае надо приспосабливаться к окружающей обстановке, но более сильное течение, выталкивая яхту на ветер к более крутым волнам, естественно, позволит уваливаться немного больше и всё-таки идти тем же путем. В сильный ветер выбор правильного курса через волны в галфвинд, разумеется, почти целиком зависит от глиссирующих способностей яхты: если ветер направлен незначительно к носу, то для лучшего, чем на спокойной воде (где течение слабое), глиссирования можно позволить более сильному течению вынести лодку на ветер, а не уваливаться от него.

Когда течение идет навстречу ветру, то более крутые волны вызываются более сильным ветром, а не течением, поэтому рекомендация выбора района зависит от типа яхты и общей силы ветра. Если ветер позволяет яхте идти в лавировку с хорошей скоростью, то никакой выгоды от плавания в районе с более крутыми волнами и сильным ветром не будет, так как яхта может достаточно сильно замедляться. Вероятно, на яхте почти любого типа выгодно держаться гладкой воды, исключением может быть лодка с длинным и узким корпусом с некоторым дифферентом на корму. Если яхта может управляться на полных курсах, то всегда выгодней направляться к более крутым волнам; на галфвинде это выгодно до тех пор, пока волны не начнут затруднять устойчивое глиссирование.

Течение по ветру

На рис. 53 показаны волны на поверхности воды при постоянном ветре по течению. В отличие от ситуации, изображенной на рис. 52, здесь более пологие волны указывают на сильное течение, а более крутые — на более слабое. С Другой стороны, если течение постоянно, а сила ветра изменчива, то при совпадающем с ветром течении более крутые волны образуются при более сильном ветре. Если при ситуации, изображенной на рис. 53, яхта идет в лавировку, то, держась района с более крутыми волнами, она почти всегда получает преимущество от пребывания в менее сильном встречном течении. — Такой курс будет невыгоден только при очень крутых волнах, существенно замедляющих яхту и заплескивающих значительное количество воды, но при течении по ветру волны такой крутизны встречаются редко.

Рис. 53. Изменение высоты волны на течении по ветру.

При полном курсе с постоянным ветром и переменным попутным течением обычно выгодно идти туда, где водная поверхность наиболее гладкая, а течения-более сильные и благоприятные. Исключением является случай, когда в районе с более слабыми течениями крутые волны могут быть использованы для глиссирования или сёрфинга.

В галфвинд при ветре немного к носу, выходя на более крутые волны, выгодно немного привестись, чтобы компенсировать влияние более сильного, идущего по ветру (рис. 53) течения, где волны положе. Однако если на крутых волнах много вторичных волн, которые, вероятно, будут тормозить идущую против них на ветер яхту, то лучше сделать обратный маневр и привестись на более гладкой воде.

Если на течении по ветру более крутые волны возникли из-за более сильного ветра, а не слабого течения, то от силы ветра зависит, что выгоднее: идти ли в более сильный ветер и крутые волны или в более легкий ветер и гладкую воду. Этот выбор всегда лотерея, и очень многое здесь зависит от типа яхты и ее возможностей: более мощная лодка выиграет от более сильного ветра и на нее не будут столь отрицательно влиять встречные крутые волны. При этих условиях на полных курсах или галфвинде всегда выгодней идти в более сильный ветер и крутые волны, за исключением того случая, когда волны настолько круты, что затрудняют управление яхтой.

Таблица 1

В табл. 1 сделана попытка проанализировать причины неодинаковых волновых условий и их влияние на яхты, плывущие различными курсами. При использовании этой таблицы следует помнить, что она может быть только вспомогательной; составление каких бы то ни было строгих и определенных правил невозможно и нежелательно. Различные типы яхт могут существенно неодинаково реагировать на изменения крутизны волн и силы ветра. Необходимо подчеркнуть, что волновые условия, представленные в первой графе таблицы, являются относительными, то есть состояние волн в одном районе сравнивается с волновыми условиями в соседнем районе; следовательно, в первой графе показаны не фактические размеры волн.

Беспорядочное волнение и смена прилива

Значительное увеличение беспорядочного волнения, которое иногда происходит при повороте приливного течения против ветра, частично связано с эффектом изменения скорости вымпельного ветра над поверхностью воды. Необходимо помнить, что если ветер в 10 узлов дует по течению скоростью 3 узла, то скорость вымпельного ветра относительно воды будет только 7 узлов. Но если тот же самый ветер в 10 узлов дует против течения скоростью 3 узла, то скорость вымпельного ветра будет 13 узлов. Разница в скорости ветра относительно поверхности воды (вымпельный ветер) на приливных и отливных течениях будет в этом случае существенна — 6 узлов.

Предупреждение

Подчеркнем, что всегда необходимо выделять возможные причины увеличения крутизны волн и избегать поспешных выводов. Беспорядочность волнения из-за мелководья нельзя путать с волнением, вызванным взаимодействием ветра и течения, это может привести к печальным последствиям.

Влияние масла на волны

Заканчивая главу, необходимо упомянуть о влиянии масляных пленок на поверхность воды. К сожалению, в некоторых местах плавание через загрязненную маслом воду обычно. Общеизвестно также, что в случаях крайней необходимости на судах, в частности на маленьких яхтах, масло может попользоваться для изменения влияния угрожающе опасных обрушающихся волн. Правда, в наше время этот прием используется редко.

Масло, даже при очень тонкой пленке, заметно сглаживает поверхность воды, а при слабых ветрах полностью препятствует появлению ряби. Это необходимо помнить при гонках в районах, где на поверхности может встречаться масло, так как при поисках ветровых полос или признаков течений масло может придать поверхности воды обманчивый вид. Обычно масло ограничивает образование крутых волн и препятствует их обрушению. Если о наличии пятен масла неизвестно, то в легкую гоночную погоду вид водной поверхности может легко запутать яхтсмена. Поэтому, если есть хоть какие-то основания предполагать наличие масла, это необходимо принять во внимание при планировании тактики соревнования.

На круизных или океанских гоночных яхтах масло для усмирения обрушающихся волн используется редко, но в большинстве книг по мореплаванию и во многих официальных и полуофициальных публикациях утверждается, что при умелом использовании в некоторых обстоятельствах масло может оказать несомненную помощь. Наша книга — не руководство по мореплаванию, поэтому мы не приводим подробностей. Достаточно сказать, что наибольшее влияние оказывает масло на волны на глубокой воде. При прибое на мелководье оно хотя и помогает, но, конечно, не препятствует обрушению больших волн. Для хорошего эффекта можно использовать почти любой сорт масла, вполне подходит смазочное. Масло должно распространяться на ветер от района, который хотят сгладить, при этом эффективны даже весьма малые количества.

На быстроходных судах периода второй мировой войны при сложных условиях на палубе масляные мешки выбрасывались за борт, а масло выпускалось через отверстие гальюна. Обычно относительно вытекающего масла судно дрейфует по ветру, ощущая влияние масла, распространяющегося на ветер.

Однажды при больших волнах, набегающих на берег, я использовал масло для входа в довольно узкий проход в рифе Средиземного моря. Масло распространялось от рифа в сторону моря и на некоторое расстояние на ветер, что позволило сдрейфовать в проход. Результат был очень впечатляющим.