TEMA II OLEAJE Y MAREAS
OBJETIVO: Interpretar la teoría general de los principales fenómenos oceanográficos y la interacción mar-costa.
 

II.1 Oleaje.

Puntos principales

Las olas del mar son ondas sísmicas (es decir, movimientos de un medio material) de las llamadas 'superficiales', que son aquellas que se propagan por la interfaz, entre dos medios materiales. En este caso se trata del límite entre la atmósfera y el océano.

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. La altura de las olas viene a depender de tres parámetros del viento, que son su velocidad, su persistencia en el tiempo y, por último, la estabilidad de su dirección.

 


CARACTERÍSTICAS DE LAS OLAS

 

• Altura o tamaño: La altura es la distancia entre la cresta y la base o valle de la ola. Es quizá el parámetro más importante para describir las olas.

• Periodo o intervalo: Periodo es el tiempo en segundos que las crestas de dos olas consecutivas pasan por un punto fijo. Un intervalo alto puede significar dos cosas, ambas positivas, un tamaño de olas grande ya que a mayor altura la distancia entre la cresta de dos olas consecutivas es mayor, o, independientemente del tamaño de las olas, un mar de fondo con olas ordenadas. Se considera un periodo alto al que supera los 9-10 segundos, aunque esto dependerá también del tamaño de las olas.

• Longitud de onda: Es la distancia entre las crestas de dos olas consecutivas. Al igual que con el periodo, a mayor distancia mejor.

• Dirección: La dirección es el sentido en el que se propagan las olas en el mar y está relacionado con la dirección del viento que las originó.

• Fuerza: La fuerza es la violencia con la que rompe la ola al llegar a la costa. Una ola con fuerza es la que rompe de manera hueca, formando tubo. La fuerza depende del tamaño de la ola, la energía que lleve consigo y en buena parte del fondo sobre el que rompe la ola.

1. Las olas son formadas por la acción del viento.
2. El agua oscila con la ola, pero no se mueve con la ola.
3. Las olas en la costa son diferentes al mar abierto.
4. Las olas producen erosión o depósito.
5. Las olas transportan energía, NO agua.

• La trayectoria de dos partículas al pasar una ola superficial.
• Eso resulta del balance entre la perturbación y fuerzas restauradoras (la gravedad).

Parámetros de una ola

• La longitud de onda, si el eje horizontal es distancia.
• El período si el eje horizontal es tiempo.
• La altura (H) es dos veces la amplitud (A).

• El diámetro de la órbita de las partículas disminuye con la profundidad.
• Esto solo vales para olas cuya longitud de onda es pequeña respecto a la profundidad del medio.
• Debajo del nivel base de oleaje el movimiento de las partículas es insignificante.

• Velocidad del viento.
• Duración del viento soplando.
• Distancia en la que sopla el viento.

• Las olas se suman o restan (interferencia).
• A la costa llegan olas separadas en “trenes” por el fenómeno de dispersión.

•Las olas reducen su longitud de onda.
• Las olas aumentan su altura.
• La ola va más despacio.
• La ola es tan alta, que rompe.

II.1.1 Clasificación de las ondas.

Ondas

Una gota de agua al caer en un estanque genera una perturbación que se propaga a través de la superficie en forma de un pulso.

Onda: Propagación de una perturbación a través de un medio material o del vacío, las ondas al propagarse no transportan materia solo transportan energía.

Pulso: Energía propagada por una única perturbación, un conjunto de pulsos sucesivos generan una onda.

Clasificación:

Las ondas al igual que cualquier fenómeno se pueden clasificar a partir de distintos criterios, las ondas en particular se clasifican a partir de 3 criterios, estos son:

I. Según su Naturaleza

a)  Ondas Mecánicas: Son todas aquellas ondas que necesitan de un   medio material para propagarse y existir.

b)  Ondas Electromagnéticas: Son todas aquellas ondas que no necesitan de un medio material para propagarse y existir, pueden hacerlo incluso en el vacío.

II. Según su Oscilación.

a)  Ondas Transversales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio, de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es perpendicular (forma un ángulo de 90º) a la dirección de propagación de la onda.

b)  Ondas Longitudinales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio, de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es igual a la dirección de propagación de la onda.

III. Según su propagación.

a)  Ondas Viajeras: Son todas aquellas ondas que tienen la capacidad de propagarse libremente a través de un punto a otro del espacio.

b)  Ondas Estacionarias: Son ondas que parecen no avanzar, estas ondas se generan cuando dos ondas viajeras se superponen (están en el mismo lugar al mismo tiempo) al propagarse en sentidos contrarios.


II.1.2 Teoría del oleaje. Primera aproximación de Stokes.

Las olas son producidas por diferentes causas. Existen olas que son generadas por el viento, por las mareas, por tormentas, por oscilaciones o por terremotos. Estas últimas se conocen como Tsunamis; son olas que alcanzan alturas considerables cuando rompen contra las costas.

Para que se genere una ola se requiere que exista una fuente de energía que, al transmitir al agua en reposo una cantidad determinada de energía, produce un movimiento oscilatorio de las partículas del líquido sin que haya un transporte importante de masa. Este movimiento oscilatorio es similar al que se induce por vibración a una cuerda que esté fija por sus dos extremos. Como se verá más adelante, la propagación de la energía dentro de la masa de agua está relacionada estrechamente con la propagación de las olas que se generan con esa energía.

El desarrollo de la Teoría de las olas se basa en la aplicación de las ecuaciones de Navier-Stokes en el flujo de fluídos viscosos en régimen no permanente.

La teoría que se trata en el texto se conoce como Teoría de Stokes . Algunos autores, como Iribarren por ejemplo, prefieren la Teoría Trocoidal la cual tiene un tratamiento matemático más complicado.

Para su estudio las olas se clasifican en Olas de pequeña amplitud y Olas de amplitud finita. Las primeras representan alteraciones pequeñas en la superficie del agua y no ocasionan problemas notables a las estructuras que están localizadas en alta mar o en la costa. Las olas de amplitud finita son las olas que interesan en los diseños de puertos, estructuras marinas y obras de protección de playas.

El estudio de las olas de pequeña amplitud se basa en la Teoría Lineal en la forma como fue desarrollada por Stokes. Es una aplicación simplificada de la ecuación general del flujo no permanente.

                                           

Supone que el flujo es irrotacional y utiliza solamente el primer término de la ecuación de Navier-Stokes. El resultado es una Ola Sinusoidal que tiene las siguientes características:

Los tres valores que caracterizan una ola son:

H=Altura
L=Longitud
T = Período.

El período T es una característica constante de la Ola durante su existencia. La longitud L y la altura H se modifican a medida que la Ola se desplaza desde el mar hacia la costa.

Se define como Mar Profundo aquel en el cual la relación entre la Longitud de la Ola y la Profundidad del agua es mayor que 2. Cuando la Ola está en mar profundo la rugosidad del fondo no afecta su comportamiento, pero a medida que entra al mar poco profundo la Longitud de la Ola tiende a disminuír y la Altura a aumentar por efecto de la fricción de la masa de agua con el fondo.

Las siguientes son las características de una Ola individual en mar profundo:

d= Profundidaddelagua.

d / Lo > 1/

Ho= Altura de la ola

Lo= Longitud de la Ola.

T= período.

Co = Celeridad o Velocidad de Fase = Lo / T

Co = 1.56 T m/s (sistema métrico)

El mar es Medianamente profundo cuando la relación d/L está comprendida entre 1/2 y 1/10. En este caso se tienen las siguientes relaciones:

L=  Lo tgh Kd

C = Co tgh Kd

tgh Kd = tangente hiperbólica de Kd, donde K es el Número de la Ola ( K = 2 Pi / L)

Cuando d/L es menor que 1/10 la profundidad del agua es muy pequeña y se aceptan las siguientes aproximaciones:

L= T(gd)1/2

C = ( gd )1/2

g = 9.81 m/s2.

II.1.3 Geometría estadística del oleaje. Distribución de Raleigh.

Para que se pueda realizar el análisis estadístico de las olas es necesario tener un registro de olas en el sector de interés. Desafortunadamente estos registros existen en muy pocos lugares del mundo debido a los altos costos de los equipos de registro y procesamiento de datos.

Cuando se tienen los datos históricos se seleccionan los trenes de olas que han ocurrido a lo largo de varios años, se determinan amplitudes y períodos de las olas y se aplican los métodos estadísticos que se describen en la literatura especializada ( Longuett-Higgins, Ippen, Wiegel) para determinar la magnitud y el período de la Ola Significativa y de las Olas Máximas esperadas.

En una serie de olas, ordenadas de mayor a menor según su amplitud, la Ola significativa se define como el promedio de las amplitudes de las olas que están en el tercio superior de la serie.