Generelt om bølger
Her ser vi Kelvins bølgemønster med veldefinerte side- og hekkbølger (Foto: Øystein Johnsen)
Overflatebølger spiller en avgjørende rolle for et skips stabilitet. Blant de ulike faktorene som påvirker bølgedannelsen, er vinden den mest betydningsfulle.
Når vindstyrken øker, dannes overflatebølger som får energi fra vinden til de når en form for balanse. Etter at bølgene er dannet, kan de reise over store havområder, og energien i dem bevares. Over tid vil de brytes ned gjennom interferens, refraksjon, brytning og friksjon.
Båtførerskolen gir i denne artikkelen et utdrag fra kapittel 3 i sjøkaptein Johnsens hovedprosjekt i nautikk. På offshorefartøyer i dårlig vær i Nordsjøen kom interessen hans for bølgeteori, og hver ledige stund ble brukt til å laste ned vitenskapelige artikler om emnet. Arbeidet resulterte i et BSc-prosjekt, som han leverte i 2007 som et populærvitenskapelig litteraturstudium, etter å ha tatt eksamen i hydrodynamikk som privatist ved NTNU samme år. Hele innholdet i kapitlet finner du her.
Generelt om bølger
Når vi snakker om bølger i en væske, finnes det mange varianter, men her vil vi fokusere på overflatebølger, siden de spiller en avgjørende rolle for et skips stabilitet. Blant de ulike faktorene som påvirker bølgedannelse, er vinden den mest betydningsfulle. Svake vindkast, med en hastighet på under to knop, vil skape små bølger som ofte kalles krusninger eller kappilarbølger. Disse små bølgene er sterkt knyttet til overflatespenningen i vannet og forsvinner raskt når vinden avtar. Et særtrekk ved disse bølgene er at de med kortere bølgelengde beveger seg raskere enn de med lengre bølgelengde, i motsetning til andre bølgetyper som vi vil komme inn på senere.
Når vindstyrken øker, dannes større overflatebølger, ofte referert til som gravitasjonsbølger. Disse bølgene får energi fra vinden til de når en form for balanse. Etter at bølgene er dannet, kan de reise over store havområder, og energien i dem bevares (energikonservering). Over tid vil de brytes ned gjennom interferens, refraksjon, brytning og friksjon.
På samme måte som vinden skaper bølger, kan den også bidra til å dempe dem. Det er kjent at et urolig hav kan roe seg betydelig i løpet av noen timer på grunn av vindens påvirkning.
Bevegelsens natur og dynamiske lover
Til tross for at havet kan virke kaotisk med bølger som ruller i alle retninger, følger det bestemte fysiske lover. Selv om bevegelsen av en væske har uendelig mange frihetsgrader (antallet forskyvningsparametre som kan brukes for å beskrive bevegelsen), er den likevel underlagt dynamiske lover som sikrer at både masse og momentum bevares. Disse lovene er beskrevet ved hjelp av partielle differensialligninger, som gir oss innsikt i de utallige mulighetene for bevegelse i en væske.
Bølgeformens fremdrift
Når en bølge beveger seg over vannflaten, er det ikke vannmassene som forflytter seg, men selve bølgeformen. Vannpartiklene beveger seg bare opp og ned, samt litt frem og tilbake. Dette kan observeres med en flytende gjenstand, som for eksempel en kork, som heves og senkes, og flyttes litt frem og tilbake når en bølge passerer. Bølger har spisse topper og avrundede daler, et resultat av hvordan de dannes. I virkeligheten beveger vannet i en bølge seg i vertikale sirkler, hvor diameteren nær overflaten tilsvarer bølgehøyden. I bølgetoppene beveger vannet seg i samme retning som bølgen, mens det i bølgedalene beveger seg motsatt.
Bølgens hastighet og periode
Tiden det tar for en bølgetopp å bevege seg én bølgelengde kalles bølgeperioden. På dypt vann bestemmes bølgens hastighet utelukkende av perioden. En enkel regel er at bølgeperioden i sekunder multiplisert med tre gir bølgens hastighet i knop. For eksempel, en bølgeperiode på fem sekunder gir en hastighet på 15 knop. På grunt vann vil dispersjonseffekten være mindre fremtredende, noe som kan forklare hvorfor dønninger fra uvær ofte ankommer kysten før selve uværet. Bølgens størrelse, både i lengde og høyde, avhenger av vindstyrken, hvor lenge vinden har blåst, og hvor langt den har hatt fri bane over havet.