Olas, formación y características

Olas
Las olas son ondas mecánicas (es decir, perturbaciones de un medio material)
que se desplazan por la superficie de mares, océanos, ríos, lagos, canales, etc.
Se propagan por la interfase o frontera de separación entre dos medios
materiales, en este caso se trata del límite entre la atmósfera y la mar.
Al paso de las olas, las partículas de agua experimentan un movimiento de
vaivén horizontal en la dirección de propagación de la onda (longitudinal) y otro
vertical perpendicular a la dirección de propagación de la ola (transversal), el
resultado es que describen un movimiento orbital circular, regresando casi al
mismo sitio donde se encontraban. En realidad se produce un pequeño
desplazamiento neto del agua en la dirección de propagación, dado que en cada
oscilación las partículas no retornan exactamente al mismo punto, sino a otro
ligeramente más adelantado. Es por esta razón por la que el viento no provoca
solamente olas, sino también corrientes superficiales.
Hay que distinguir dos movimientos. El primero es la oscilación del medio
movido por la onda, que en este caso, como hemos visto, es un movimiento
circular. El segundo es la propagación de la onda, que se produce porque la
energía se transmite con ella, trasladando el fenómeno con una dirección y
velocidad, llamada en este caso velocidad de onda. El perfil de una ola,
resultante del movimiento circular y de la propagación, en un instante dado, es
una curva geométrica llamada trocoide y que se genera por un punto m de un
círculo, cuya circunferencia rueda sin resbalar sobre una recta.
El perfil de la ola queda definido por la relación 𝐏 = 𝐇/𝐋 dándose los siguientes
casos:
1. Si 𝐋/𝐇 > 𝛑, el perfil de la ola es una trocoide estable (mar de fondo).
2. Si 𝐋/𝐇 = 𝛑, el perfil es el de una cicloide con crestas puntiagudas (mar de
viento).
3. Si 𝐋/𝐇 < 𝛑, el perfil de la ola es una trocoide inestable, con bucles en las
crestas que rompen en rociones.
En este último caso sí 𝐋/𝐇 < 𝟕, es decir, cuando la altura de la ola es mayor que
la séptima parte de la longitud (𝐇 > 𝐋/𝟕), la ola entera se rompe.
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Parámetros de las olas
La parte más alta de una ola es su cresta y la parte más profunda de la
depresión entre dos olas consecutivas se llama seno. A la distancia entre dos
crestas se le denomina longitud de onda (𝐋) y a la diferencia de altura entre
una cresta y un seno se le llama altura (𝐇) de la ola. La amplitud es la
distancia que la partícula se aparta de su posición media en una dirección
perpendicular a la de la propagación. La amplitud vale la mitad de la altura. La
pendiente (𝐏) es el cociente de la altura y la longitud de onda: 𝐏 = 𝐇 / 𝐋
Se llama período (𝐓) al tiempo que transcurre entre el paso de dos crestas
consecutivas por el mismo punto. La velocidad de onda, es decir la velocidad
de propagación o celeridad, se calcula dividiendo la longitud de onda por el
período 𝐂 = 𝐋 / 𝐓. Se llama edad de la ola (𝐞) al cociente entre la velocidad de
propagación y la velocidad del viento 𝐞 = 𝐂/𝐕; una ola es joven cuando la
velocidad del viento 𝐕 es superior a la velocidad de propagación 𝐂 (𝐞 < 𝟏) y es
vieja cuando 𝐂 = 𝐕 (𝐞 = 𝟏)
Dirección: Punto del horizonte de donde vienen las olas. Igual que el viento.
En aguas profundas (> 𝐋 / 𝟐) la velocidad de onda depende de la longitud de
onda, mientras que en aguas superficiales (< 𝐋 / 𝟐) por el contrario, depende
sólo de la profundidad.
Teniendo en cuenta que el periodo 𝐓 es uno de los parámetros más fáciles de
medir, se han deducido las siguientes relaciones para aguas profundas:


𝐋 = 𝟏, 𝟓𝟔 × 𝐓 𝟐 (metros), que nos proporciona la longitud 𝐋 de la ola, en
función del periodo 𝐓 de la misma y de la que se deduce 𝐓 = 𝟎, 𝟖 × 𝐋
𝐂 = 𝟏, 𝟓𝟔 × 𝐓 (metros/segundo) ó 𝐂 = 𝟑, 𝟎𝟔 × 𝐓 (nudos), que nos la
velocidad de propagación 𝐂 de la ola en función del periodo 𝐓, que
combinada
con
la
fórmula
anterior
nos
da:
𝐂 = 𝟏, 𝟐𝟓 × 𝐋
(metros/segundo) resultando que la velocidad de propagación aumenta
conforme la ola se desarrolla y crece. Cuando 𝐂 = 𝐕 la ola ya es vieja.
Formación
El fenómeno de las olas es provocado por el viento, cuya fricción con la
superficie del agua produce un cierto arrastre, dando lugar primero a la
formación de rizaduras o rugosidades en la superficie del agua, llamadas ondas
u olas capilares, de tan sólo unos milímetros de altura y hasta 1,7 cm de
longitud de onda. Cuando la superficie pierde su lisura, el efecto de fricción se
intensifica y las pequeñas rizaduras iniciales dejan paso a olas de gravedad.
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Las fuerzas que tienden a restaurar la forma lisa de la superficie del agua y que
con ello provocan el avance de la deformación, son la tensión superficial
(atracción entre las moléculas del agua) y la gravedad. Las ondas capilares se
mantienen esencialmente sólo por la tensión superficial, mientras que la
gravedad es la fuerza que tensa y mueve las olas más grandes.
Se requiere que la velocidad del viento sea como mínimo de 5 a 6 nudos para
que su energía cinética venza a la tensión superficial y comience la formación
de olas de gravedad. Hasta los 10 nudos de viento, las olas crecen en altura y
en longitud y a partir de esta velocidad crecen más en altura, aumentando su
pendiente.
Cuanto mayor es la altura de las olas, mayor es la cantidad de energía que
pueden extraer del viento, de forma que se produce una realimentación positiva
que hace crecer más la altura 𝐇 que la longitud 𝐋. La altura de las olas viene a
depender de tres parámetros del viento, que son su intensidad o velocidad, su
persistencia en el tiempo y por último, la estabilidad de su dirección
amplificándose cuanto más recorrido tenga este (zona fetch). Así, los mayores
oleajes se producen en circunstancias meteorológicas en que se cumplen
ampliamente estas condiciones.
Una vez puestas en marcha, las olas que se desplazan sobre aguas profundas
disipan su energía muy lentamente, de forma que alcanzan regiones muy
separadas de su lugar de formación. Así, pueden observarse oleajes de gran
altura en ausencia de viento (mar de fondo).
Las olas disipan su energía de varias maneras. Una parte puede convertirse en
una corriente superficial, un desplazamiento en masa de un gran volumen de
agua hasta una profundidad considerable (corrientes de deriva). Otra parte se
disipa por fricción con el aire, en una inversión del fenómeno que puso en
marcha las olas. Parte de la energía puede disiparse, si una velocidad excesiva
del viento provoca la ruptura de las crestas. Por último, la energía termina por
disiparse por interacción con la corteza sólida, cuando el fondo es poco
profundo o cuando finalmente las olas se estrellan con la costa.
Al llegar a la costa, las olas sufren las últimas transformaciones antes de
disiparse: Encrespándose si encuentran un marcado obstáculo en la franja
costera, como un banco de arena, una roca o formación rocosa o un arrecife.
Dependiendo del obstáculo, su forma y tamaño y la fuerza y velocidad de la ola,
así como el punto de marea, las olas costeras pueden adquirir diferentes
expresiones de tamaño, velocidad, forma o movimiento.
La contraola es un efecto llamado resaca del agua que, llevada por las olas
hasta la orilla de tierra firme o la orografía costera, rebota o se desliza de
nuevo hacia el mar, creando una ola en dirección opuesta al golpe de mar, es
decir, una ola que parte de la costa. Generalmente se disipan o estrellan con las
otras olas en algunos metros.
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Tipos de olas: Mar de viento y mar de fondo
Las olas podemos agruparlas en dos tipos diferentes: olas o mar de viento y
olas o mar de fondo. Mar de viento, es la ola producida por el viento que está
soplando en ese momento sobre una extensión de mar determinada, que se
conoce con el nombre de zona generadora. Mar de fondo o mar tendida, mar de
leva o mar boba, como también es conocida, se puede definir como aquel oleaje
que aparece en ausencia de vientos, por haber abandonado la ola la zona
generadora o porque el viento ha calmado dentro de la zona generadora. De
cualquier forma, en la mar habitualmente siempre vamos a encontramos los
dos tipos de olas actuando a la vez.
Las características principales de la mar de viento son:



Olas más bien agudas.
Corta longitud de onda.
Altura del oleaje irregular.
Las características principales de la mar tendida son:





Apariencia mucho más regular que las de viento.
Longitud de onda mucho mayor que su altura.
Crestas con perfiles redondeados (no rompen).
Altura de las olas muy regular.
Perfil trocoidal estable.
Las olas en aguas profundas, es decir, en alta mar, solo rompen cuando su
pendiente se hace muy grande. Como regla aproximada, podemos decir que la
ola de viento rompe en alta mar cuando su altura es mayor que la séptima
parte de su longitud de onda.
El que una ola sea inestable depende de la edad. Mientras sea mayor la
velocidad del viento que la velocidad de propagación, la ola es joven; en cuanto
ambas velocidades se igualan la ola es ya vieja, pudiendo llegar a ser mayor la
velocidad de la ola que la del viento. Cuando la velocidad de la ola es la mitad
que la del viento que la origina, la ola adquiere su máxima pendiente.
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Zona generadora, persistencia y fetch
Zona generadora es el área sobre la cual la acción del viento crea un oleaje.
Siendo condición indispensable, que ese viento tenga una dirección e intensidad
constantes. Esta zona coincide con las áreas donde las isobaras son rectilíneas y
equidistantes. En las borrascas con sistema frontal, se pueden formar cuatro
áreas generadoras de oleaje, siendo la más importante la formada en el sector
cálido de la borrasca.
Persistencia es el número de horas que un viento determinado ha estado
soplando sobre una zona generadora. La ola no se forma repentinamente por la
acción del viento; necesita un tiempo establecido, conocido como “persistencia
mínima”, que será tanto mayor cuanto más intensidad tenga dicho viento.
A partir de este momento la ola ya no crece más, se dice que la ola esta
“completamente desarrollada”.
Fetch es la extensión longitudinal de una zona generadora o la extensión sobre
la que sopla un viento con una dirección e intensidad constantes. Se expresa en
millas náuticas o kilómetros.
Si la ola está completamente desarrollada (persistencia mínima), la altura de la
ola es independiente del tiempo, al haberse alcanzado su estado estacionario.
Es decir, el factor limitativo de la altura de la ola en régimen estacionario (mar
totalmente desarrollada) es el fetch: para cada intensidad de viento, cuanto
más viento, la ola más alta.
Si la mar no está desarrollada totalmente, el régimen es transitorio y la altura
de la ola irá creciendo con el tiempo, hasta alcanzar su total desarrollo. Ahora,
el factor limitativo de la altura de la ola es la persistencia, siempre que no
alcance el valor de la persistencia mínima.
De lo anterior, podemos concluir que el factor limitativo de la altura de la ola,
completamente desarrollada es el fetch, es decir, cuanta más longitud tenga
éste, la ola tendrá más altura, teniendo en cuenta que, para un punto
determinado dentro de una zona generadora, el fetch del punto no es la
extensión longitudinal de toda la zona generadora, sino la distancia entre el
origen de la zona generadora y el punto.
Zonas generadoras de oleaje en una borrasca
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Calculo de la altura de la mar de viento
Disponemos de dos ábacos para el cálculo de la altura aproximada de las olas.
Ambos ábacos se han construido teniendo en cuenta condiciones ideales. El
ábaco de Fetch da la altura de olas debidas al fetch, supuesta una persistencia
infinita y el ábaco de Persistencia, da la altura de olas debidas a la persistencia,
supuesto un fetch ilimitado.
El ábaco de Fetch muestra la altura de las olas levantadas en régimen
estacionario (olas completamente desarrolladas). En el eje de las abscisas se
representan las longitudes de los fetch en millas náuticas y en el de ordenadas
la altura de las olas, en metros. Las curvas corresponden a la fuerza del viento
según la escala de Beaufort.
El ábaco de Persistencia muestra la altura de las olas levantadas en régimen
transitorio, es decir, cuando el factor limitante no es el fetch sino la
persistencia. En el eje de abscisas se representa la persistencia en horas y en el
de ordenadas la altura de las olas, en metros. Las curvas corresponden en
ambos ábacos a la fuerza del viento.
Al intentar predecir el oleaje nos vamos a encontrar con fetchs y persistencias
limitados. Tendremos entonces dos alturas distintas de olas. Para conocer la
altura de la ola procederemos de la siguiente manera: Cuando la persistencia
sea mayor que la persistencia mínima, el régimen será estacionario y la mar
estará completamente desarrollada, por lo que el factor limitativo de la ola será
el fetch y el resultado deberemos buscarlo en el ábaco del Fetch. Cuando la
persistencia sea menor que la persistencia mínima, el régimen es todavía
transitorio, es decir, no ha alcanzado su pleno desarrollo; la ola puede seguir
creciendo y la altura de la ola la buscaremos en el ábaco de Persistencia. En
general escogeremos como altura de la ola, la menor dada por ambos ábacos.
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