La Física de las Olas

txt: 3 quillas + fuentes y colaboraciones citadas mas abajo

En esta seccion de 3 Quillas les vamos a contar algo basico acerca del movimiento ondulatorio y propagacion de ondas en un medio fisico, como ser las olas en el mar. Las olas que surfeamos en nuestra playa favorita provienen de altamar donde fueron generadas por los vientos fuertes y sostenidos que soplan durante las tormentas oceanicas. Estas ondas viajan largas millas nauticas y se desplazan alterando el medio fisico a su paso, haciendo oscilar las moleculas de agua, quienes describen un movimiento ondulatorio. Nuestra idea es presentar basicamente este movimiento y lograr que lo entiendan todos los surfistas que se benefician de él, tengan o no formacion cientifica. Para complementar esta seccion les recomendamos leer tambien Olas y Pronosticos.

Qué es el movimiento ondulatorio?

El movimiento ondulatorio es un fenomeno muy comun: se puede observar en el movimiento de ir y venir de un resorte una vez que es alejado de su posicion de equilibrio, el movimiento transversal a lo largo de una cuerda tensa cuando es agitada desde un extremo, o lo que nos interesa a nosotros, las olas en la superficie del agua.

Ondas : cuando hablamos en voz alta, tocamos una campana o instrumento musical, se produce un sonido que se escucha en puntos alejados. La señal producida necesita si o si un medio fisico para poder propagarse, viajar a traves de él y asi alcanzar puntos alejados. El sonido se transmite a traves del aire circundante, es decir, un medio fisico (no hay ruido en el vacío! no existe un medio de propagacion...). Si estamos en la playa y a lo lejos pasa una lancha, observamos que en algun momento la estela que produjo la lancha llega a la orilla. En todos estos casos se observan situaciones fisicas producidas en un punto del espacio (punto de generacion), que se propagan a traves de éste y se perciben mas tarde en otro punto. Estos son ejemplos de movimiento ondulatorio. Al producir una perturbacion del estado fisico del medio en un punto, la perturbacion puede propagarse en el espacio modificando las condiciones en otros sitios. La perturbacion se desplaza alterando las condiciones fisicas del medio a su paso : se habla en Fisica de una onda asociada con la propiedad fisica que ha sido perturbada.

Caracteristicas basicas de un movimiento ondulatorio:

Descripcion de la Ondulacion:

*La posición más alta con respecto a la posición de equilibrio se llama cresta y se mide en metros.

*La posición más baja con respecto a la posición de equilibrio se llama valle.

*El alejamiento de cada partícula con respecto a la posición de equilibrio se llama amplitud de onda y se mide en metros.

*El periodo es el tiempo transcurrido entre la emisión de dos ondas consecutivas y se mide en segundos.

*Al número de ondas emitidas en cada segundo se le denomina frecuencia y se mide en Hertz.

*La distancia que hay entre cresta y cresta, o valle y valle  se llama longitud de onda Landa y se mide en metros.

*Nodo es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Interferencia: Al producirse dos o más movimientos ondulatorios que pasan por el mismo medio en forma simultánea, se produce la interferencia. Si coinciden en crestas y valles y son de igual amplitud, el resultado será un movimiento con la misma longitud de onda, el mismo periodo, pero con amplitud doble. Es decir, el movimiento resultante podrá ser incrementado, disminuido o anulado como los movimientos interfieran entre sí. Esto es importante cuando se reciben varios swells simultaneos desde direcciones diferentes: sus efectos pueden sumarse y aumentar el tamaño de las olas, o pueden compensarse y disminuir su tamaño...

Refraccion: Las ondas al viajar se orientan en forma paralela segun sus Landas caracteristicos, y forman los denominados Trenes de Ondas. Estos trenes viajan por aguas profundas hasta que se encuentran con obstaculos en su camino: Por ejemplo al llegar a zonas de poca profundidad y chocar con bancos de arena, se produce el fenomeno de Refraccion de las ondas: estas desvian su trayectoria original y se orientan paralelas al obstaculo encontrado. Como los bancos de arena suelen ser alargados y paralelos a la costa (debido a las corrientes costeras), las olas se desvian e inciden de manera paralela a la playa. Otro caso de refraccion es cuando existe una porcion de tierra que se mete mar adentro e intercepta directamente al tren de ondas: en este caso las olas `pivotean´ en este obstaculo y toman una nueva direccion. Foto abajo: efecto de refraccion debido a una Punta. (es lo que sucede en los point-breaks, por ejemplo en el antiguo y extrañado Cabo Corrientes en Mar del Plata, Argentina. Esta punta recibia la ondulacion del sudeste (la de mayor amplitud en la region) y la desviaba generando las mejores derechas de Argentina. Hasta que a alguien se le ocurrio construir una escollera y cerrar la playa, eliminar el efecto de la punta y la refraccion, y por lo tanto, eliminar una ola de excelente calidad..

El estudio analitico del movimiento ondulatorio y la hidrodinamica de olas rompiendo es un problema altamente no-linear y por lo tanto complejo de estudiar. Sin embargo se ha llegado a modelos simplificados en los que se pueden entender los conceptos basicos.

Algo de Formulas:

Formula de Carrier-Greenspan:   Nc= 2.pi.H / g.T².ß²

donde H es la altura de la ola, g la aceleracion de la gravedad, T el periodo de las olas, y ß un factor que describe el fondo del mar y su morfologia (tabulado). El numero de Carrier-Greenspan (Nc) debe valer entre 0.09 y 4.8 para asegurar que la ola tenga un buen rompimiento.

Formula de Carrier-Greenspan 2:  a = arcsen [1 / ( 2n + 1).tanß]

donde n es un numero entero, y ß el mismo factor descriptivo de la forma del fondo marino de la formula anterior, y ''a'' es el angulo de incidencia optimo para que la ola rompiente ofrezca una pared surfeable y no se cierre comlpetamente al romper.

Estas formulas fueron desarrolladas en los años 1950 y 1960 por Ingenieros Costeros del Centro de Estudios Costeros del Scripps Institution of Oceanography de La Jolla, San Diego, California. USA.

Olas en aguas profundas y en aguas poco profundas.

En las aguas profundas de altamar se forman las ondas debido a los fuertes vientos que alli soplan (ver Olas y Pronosticos). Las moleculas de agua experimentan un movimiento circular con el paso de la onda, volviendo al mismo punto de partida una vez que la onda pasó por dicho lugar. El diametro de la circunferencia descripta por las moleculas disminuye exponencialmente con la profundidad.

El movimiento de la onda se cracteriza por su velocidad de avance, y por la velocidad de avance del tren de ondas al que pertenece. La velocidad de esta onda está dada por : (para una profundidad h) v²=(g/k).tanh(k.h) , donde k=2.pi/landa, g es la aceleracion de la gravedad, y landa es la longitud de onda. A su vez, la longitud de onda es la distancia de separacion entre 2 ondas consecutivas pertenecientes a un mismo tren de ondas. Por otro lado, se define como olas de aguas profundas a aquellas que cumplen con  h/landa mayor a 0.5, y olas de aguas poco profundas a las que cumplen con h/landa menor a 0.005. Claramente la velocidad de las olas no puede superar a la velocidad del viento que las genera. En el caso de las fuertes tormentas de altamar puede alcanzar velocidades de hasta 160 Km/h.

Cuando las olas avanzan sobre aguas cada vez menos profundas en su camino hacia la playa, su velocidad decrece, se refractan y orientan en forma cada vez mas paralela a la orilla. Los largos bancos de arena o arrecifes de roca o coral son los obstaculos que permiten esta refraccion.

Remontar una ola con la tabla.

La zona de la costa marina donde las olas se levantan, colapsan y rompen es la zona donde se puede surfear. Esta zona está determinada por la direccion del tren de ondas incidente (el swell) y por la forma del fondo marino costero. Empiricamente se llegó a que una ola rompe cuando la profundidad del agua es cercana a 1,3 veces la altura de la ola (su amplitud). Por ejemplo, una ola de 6 pies romperá teoricamente cuando pase por un lugar cuya profundidad sea 8 pies o menos. (6x1.3= 6 + 0.3x6= 6+2= 8)

Para poder agarrar una ola, el surfista debe impulsarse y alcanzar la velocidad que trae dicha ola. Esto se logra con energicas remadas.

 

 Analicemos el Diagrama de Cuerpo Libre de arriba: sea tita el angulo entre la horizontal y la cara de la ola en su punto medio, F la fuerza normal a la superficie del agua ejercida por el mar sobre la tabla, entonces proyectando la fuerza F sobre el eje Y obtenemos que la componente de la aceleracion es F.sen(tita). Y sobre el eje X obtenemos  F.cos(tita)=m.g , donde m es la masa del sistema surfista+tabla.

Fuentes consultadas: Fisica - Alonso-Finn / Surf Physics - Ronald Edge

Agradecimientos: a Ines Gonzalez Fernandez por facilitarnos el Paper. A la profesora M.M.Manganiello de Fisica I de la Facultad de Ingenieria de la UBA por incentivar el interes de sus alumnos en la fisica.

Para más informacion:

wwwisis.ufg.edu.sv/labvirtual/fisica/fisica1/Introduccion/indiceApplets/indice_ondas.htm

http://www.exploratorium.edu/theworld/surfing/index.html Link enviado por Mariano D., conocido como el ''Alemao''

Olas Gigantes: Detectan olas gigantes capaces de hundir barcos 

(El texto de aqui abajo fue publicado en www.infobae.com el 26/7/2004 y nos fue enviado por Gustavo via e-mail.)

El descubrimiento lo hizo la Agencia Espacial Europea (AEE). Las grandes masas de agua fueron consideradas como una leyenda y pueden elevarse hasta 30 metros de altura. En 1995, el Queen Elizabeth II casi se hundió al ser azotado por una ola de 27 metros durante un huracán. El capitán del barco señaló que parecía un "gran muro de agua"

Se las consideraba un mito marino: olas de hasta diez pisos de altura que pueden hundir navíos. Ahora, se ha descubierto que verdaderamente existen. Los resultados de la nave espacial ERS de la ESA han ayudado a determinar que estas olas gigantes existen en realidad, y ahora se utilizan para estudiar sus orígenes.

Durante las pasadas dos décadas, las tormentas han hundido más de 200 superpetroleros y barcos de contenedores de más de 200 metros de eslora. Se cree que las olas gigantes han sido la causa principal en muchos de esos casos. 

Los marineros que han sobrevivido a tales encuentros cuentan historias notables. En febrero de 1995 el trasatlántico Queen Elizabeth II se encontró con una ola gigante de 29 metros de alto durante un huracán en el Atlántico Norte, a la que el capitán Ronald Warwick describió como "una inmensa muralla de agua… parecía como si nos abalanzáramos hacia los acantilados, los White Cliffs, de Dover". 

Y en la semana entre febrero y marzo de 2001, a dos robustos cruceros turísticos –el Bremen y el Caledonian Star– olas gigantes de 30 metros les destrozaron las ventanas del puente en el Atlántico Sur. El primero quedó a la deriva sin navegación ni propulsión durante dos horas. 

"Los incidentes se produjeron a menos de mil kilómetros de distancia entre sí", dijo Wolfgang Rosenthal –Científico Senior del centro de investigaciones GKSS Forschungszentrum GmbH, con sede en Geesthacht, Alemania– quien ha estudiado las olas gigantes durante años. "Toda la electrónica fue apagada en el Bremen mientras éste derivaba en paralelo a las olas, y hasta que la encendieron nuevamente, la tripulación pensaba que ese podría haber sido su último día de vida. 

"El mismo fenómeno podría haber hundido navíos menos afortunados: en promedio, dos grandes barcos se hunden por semana, pero la causa nunca se estudia con el mismo detenimiento que un desastre aéreo. Sencillamente se lo atribuye al «mal tiempo»". 

El fenómeno ha afectado también a las plataformas de alta mar: el 1 de enero de 1995 la plataforma petrolera Draupner en el Mar del Norte fue alcanzada por una ola que medía, según un dispositivo láser de a bordo, 26 metros, y las olas mayores a su alrededor eran de hasta 12 metros. 

Exhaustivo análisis
Pruebas objetivas logradas por radar en esta y otras plataformas –los datos de radar de la plataforma petrolífera Goma del Mar del Norte registraron 466 olas gigantescas en 12 años– ayudaron a convencer a científicos anteriormente escépticos, cuyas estadísticas mostraban que desviaciones tan notables del estado del mar circundante debieran producirse solamente una vez cada 10.000 años. 

El hecho de que las olas gigantes en realidad se producen con relativa frecuencia tiene importantes implicaciones económicas y de seguridad, dado que los barcos y plataformas actuales están construidos para soportar olas con una altura máxima de solamente 15 metros. 

En diciembre de 2000, la Unión Europea inició un proyecto científico llamado MaxWave para confirmar la frecuencia y localización de olas gigantes, modelar cómo se producen y considerar sus implicaciones para los criterios de diseño de barcos y plataformas petrolíferas. Y como parte de MaxWave, los datos de los satélites de radar ERS de la ESA fueron los primeros utilizados para efectuar un censo mundial de olas gigantes. 

"Sin cobertura aérea de sensores de radar no teníamos posibilidades de encontrar nada", añadió Rosenthal, quien encabezó el proyecto de tres años MaxWave. "Todo lo que teníamos para avanzar era los datos de radar recogidos de plataformas petroleras. Así que estábamos interesados en usar ERS desde el principio." 

Los dos satélites gemelos de ESA, ERS 1 y 2 –lanzados en julio de 1991 y abril de 1995 respectivamente– tienen ambos un radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) como instrumento principal. 

El SAR trabaja en varias modalidades distintas; mientras está sobre el océano trabaja en modo de ola, adquiriendo "pequeñas imágenes" (imagettes) de 10 por 5 km de la superficie del mar cada 200 km. 

Estas pequeñas imágenes son luego transformadas matemáticamente en desgloses promediados de la energía y dirección de las olas, llamados espectros de olas oceánicas. ESA pone estos espectros a disposición del público; les sirven a los centros meteorológicos para mejorar la precisión de sus modelos de pronósticos marítimos. 

"No se distribuyen las pequeñas imágenes en bruto, pero con su resolución de diez metros nosotros creíamos que contenían una riqueza de información útil por sí mismas", dijo Rosenthal. "Los espectros de olas oceánicas ofrecen promedios del estado marítimo, pero las pequeñas imágenes muestran las alturas individuales de las olas, incluyendo los extremos en que estábamos interesados. 

"ESA nos suministró datos de tres semanas –alrededor de 30.000 pequeñas imágenes separadas– seleccionadas alrededor de la fecha en que fueron alcanzados el Bremen y el Caledonian Star. Las imágenes fueron procesadas y se las sometió a una búsqueda automática de olas extremas en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR)". 

Más de las que se cree
A pesar del tiempo relativamente breve que cubrían los datos, el equipo MaxWave identificó más de diez olas individuales gigantes en todo el globo, superiores a los 25 metros de altura. 

"Tras haber probado su existencia, en mayor número de lo que nadie esperaba, el siguiente paso es analizar si pueden ser pronosticadas", añadió Rosenthal. "MaxWave terminó formalmente al final del año pasado aunque actualmente hay dos líneas de trabajo que se derivan de él: uno es mejorar el diseño de buques, comprendiendo cómo se hunden éstos, y la otra es examinar más datos satelitales con vistas a analizar si es posible realizar pronósticos". 

Un nuevo proyecto de investigación llamado WaveAtlas utilizará dos años de imagettes de ERS para crear un atlas mundial de olas gigantes y efectuar análisis estadísticos. La investigadora principal es Susanne Lehner, profesora adjunta de la División de Física Marina Aplicada de la Universidad de Miami, quien también trabajó en MaxWave mientras estaba en DLR, y Rosenthal será un co-investigador del proyecto. 

"Examinar las pequeñas imágenes da una sensación como de volar, porque uno sigue el estado del mar bajo el curso del satélite", dijo Lehner. "También se ven en ellas otras cosas como desprendimientos de hielo, manchas de petróleo y hasta barcos, y por eso hay interés en usarlas para otras áreas de estudio. 

"Sólo los satélites de radar pueden ofrecer datos verdaderamente globales para el análisis estadístico del océanos, porque pueden ver a través de las nubes y de la oscuridad, a diferencia de sus contrapartes ópticas. En tiempo tormentoso, las imágenes de radar son, por lo tanto, la única información pertinente disponible". 

Dónde nacen
Ya se han encontrado algunos patrones. Las olas gigantes suelen estar vinculadas con sitios donde las olas comunes se encuentran con corrientes y remolinos oceánicos. La fuerza de la corriente concentra la energía de la ola, formando olas mayores; Lehner la compara a una lente óptica, que concentra la energía lumínica en un área pequeña. 

Esto es especialmente cierto en el caso de la notablemente peligrosa corriente de Agulhas, en la costa oriental de Sudáfrica, pero también pueden encontrarse olas gigantes vinculadas a otras corrientes como la Corriente del Golfo en el Atlántico Norte, en interacción con las olas que bajan del mar de Labrador. 

Sin embargo, la información muestra que las olas gigantes también pueden producirse lejos de las corrientes, a menudo en la vecindad de frentes atmosféricos de alta o baja presión. Los vientos sostenidos de tormentas prolongadas, de más de 12 horas pueden amplificar las olas que se mueven a una velocidad óptima en sincronismo con el viento: si van demasiado rápidamente se adelantan a la tormenta y se disipan; si van demasiado lentamente, se quedan retrasadas. 

"Conocemos algunas de las razones para las olas gigantes, pero no las sabemos todas", concluyó Rosenthal. El proyecto WaveAtlas está programado para continuar hasta el primer trimestre de 2005.