plik

str. 2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było:



zapoznanie się z podstawami modelowania falowania na morzu;



zapoznanie się z metodami pomiaru fali na basenie pomiarowym;



zapoznanie się z określającymi fale parametrami;



zapoznanie się z program pozwalającym na pomiar fali;



zapoznanie się z podstawowymi pojęciami;



zapoznanie się ze stanowiskiem badawczym, w tym z urządzeniami do wytwarzania fali, pochłaniania
fali oraz ze stanowiskiem komputerowym;



przeprowadzenie pomiarów falowania na przykładzie fali regularnej progresywnej;

Prowadzenie  badań  modelowych  związanych  z  zagadnieniem  właściwości  morskich  okrętu  wymaga
dysponowania  urządzeniami  umożliwiającymi  wytwarzanie  w  basenie  doświadczalnym  wodnej  fali
powierzchniowej.  Falowanie  tego typu  występuje  jedynie  w  wypadku  istnienia  swobodnej  powierzchni
cieczy.  W  naturze  czynnikiem  zakłócającym  powierzchnie  jest  prawie  wyłącznie  wiatr.  W  okrętowych
basenach modelowych do wytworzenia fali stosuje się wywoływacze lub wytwarzacze fal.

Pierwszy  wywoływacz  fal  został  zainstalowany  w  1905r.  w  Zakładzie  AEW  w  Wielkiej  Brytanii.  Z
czasem  zaczęto  je  instalować  we  wszystkich  niemal  basenach.  Początkowo  urządzenia  umożliwiały
wytwarzanie fali jedynie regularnej, ale na przełomie lat 50-tych i 60-tych zaczęto budować urządzenia
zdolne  do  falowanie  nieregularnego,  odpowiadającego  zadanym  widmom  energetycznym  falowania
morskiego.

2. Podstawowe informacje

2.1. Falowanie regularne

2.1.1. Parametry fali regularnej o małej amplitudzie.

W  bardzo  wielu  wypadkach,  dla  uniknięcia  nieliniowości  w  opisie  zjawiska  falowania  można  przyjąć
założenie,  że  amplituda  fali  jest  mała  wobec  długości  fali.  W  takim  przypadku,  jeżeli  ruch  falowy  jest
harmoniczny  funkcją  czasu,  profil  fali  jest  sinusoidą,  a  fala  nazywa  się  wodną  regularną  o  małej
amplitudzie.

2.1.2. Profil fali regularnej o małej amplitudzie i skończonej amplitudzie.

Jeżeli amplituda fali jest porównywalna z głębokością akwenu, to wpływ amplitudy na prędkość fali staje
się wyraźny. Prędkość fali rośnie wraz z wzrostem amplitudy.

2.1.3. Falę regularna charakteryzują takie parametry jak:

a) Długość fali, równą odległości między kolejnymi grzbietami – λ [m].
b) Okres fali równy czasowi upływającemu pomiędzy przejściem kolejnych grzbietów względem

nieruchomego obserwatora – T [s].

c) Częstość fali równą odwrotności jej okresu – f [s

-1

d) Prędkość fali równa prędkości przemieszczania się grzbietu fali względem nieruchomego

obserwatora – C

[ms-1].

Pomiędzy nimi zachodzą następujące związki: λ=CwT=2π/k

Prędkość fali zależna jest od głębokości akwenu h:







tgh



str. 3

2.1.4. Trajektorie cząsteczek

Cząsteczki cieczy, w której rozprzestrzenia się postępowa fala powierzchniowa poruszają się po
trajektoriach, które mogą być uważane za zamknięte, gdy amplituda fali jest mała. Rozróżniamy tu 3
przypadki:

a) fala głębokowodna-cząsteczki cieczy zakreślają trajektorie kołowe, ich promień maleje

wykładniczo wraz z oddaleniem się od powierzchni;

b) trajektorie cząsteczek mają kształt elips o dłuższej osi poziomej;

c) fala płytkowodna/długa-ruch cząsteczek-poziome oscylacje o stałej amplitudzie;

2.2. Falowanie nieregularne

W  wyniku  badań  oceanotechnicznych  zaobserwowano,  że  w  pełni  rozwinięte  falowanie  morskie
pochodzenia  wiatrowego  jest  procesem  losowym  i  może  być  uważane  za  wynik  superpozycji
nieskończonej  ilości  fal  regularnych  o  różnych  częstotliwościach,  różnych  amplitudach  i  losowym
przesunięciu fazowym.

3. Opis stanowiska badawczego

3.1. Basen holowniczy:

Na rysunku 1 widzimy schemat basenu doświadczalnego. Na jego lewym końcu znajduję się pochłaniacz
fal, którego działanie polega na wytracaniu energii fali przez tarcie i załamanie na powierzchni czynnej
pochłaniacza (tzw ‘plaża’). Na basenie PG korzystamy z pochłaniacza fali w postaci drewnianej plaży o
profilu wykładniczym. Na prawym końcu basenu znajduje się wytwarzacz fal.

Stanowisko badawcze stanowi basen doświadczalny o wymiarach:

str. 4

H [ m ] – głębokość

C [ m ] – szerokość basenu

L [ m ] – długość basenu

1,5

Do  wytwarzania  fali  służy  wywoływacz  nurnikowy  o  profilu  wykładniczym.  Urządzenie  umożliwia
wytwarzanie  jedynie  fali  regularnej.  Częstotliwość  oscylacji  nurnika  regulowana  jest  na  zasadzie
regulacji obrotów silnika napędowego, regulowanie amplitudy oscylacji nurnika odbywa się ręcznie przez
odpowiednie  nastawienie  mimośrodu  mechanizmu  napędowego.  Pomiar  częstotliwości  odbywa  się  za
pomocą  częstościomierza  elektronicznego.  Do  pomiaru  amplitudy  fali  służy  sonda  elektryczna  typu
oporowego  lub  pojemnościowego.  Do  pochłaniania  fali  zastosowano  drewnianą  plażę  o  profilu
wykładniczym.

3.2. Wytwarzacz fal:

Na  basenie  doświadczalnym  PG  korzystamy  z  wywoływacza  nurnikowego  o  ruchu  prostoliniowym  i
profilu wykładniczym. Wywoływaczem wytwarzającym falę jest nurnik o dowolnym profilu wykonujący
pionowe  oscylacje.  Wytwarza  on  falę  tylko  w  jednym  kierunku  co  umożliwia  zamieszczenie  nurnika
bezpośrednio przy ścianie basenu z minimalną stratą długości basenu. W wyniku jego działania powstaje
fala regularna.

Najbardziej naturalny sposób sztucznego wytwarzania falowania polega, jak się wydaje, na umieszczeniu
w  basenie  elastycznej  pionowej  przepony,  odtwarzającej  wiernie  obwiednia  trajektorii  cząstek  wody
względem  powierzchni spoczynkowej prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.

Każdy wywoływacz fal wytwarza fale  postępowe lub progresywne. Profil fali postępowej jest niezależny
od sposobu jej generacji, konstrukcji oraz kształtu wywoływacza, zależy od głębokości akwenu.

3.2.1. Typy wywoływaczy fal.

Wywoływacze fal dzieli się głównie na cztery podstawowe typy:

a)  Wywoływacze płytowe  –  elementem wywołującym  falę  jest tutaj płyta,  najczęściej sztywna  i płaska,
wykonująca oscylacyjny ruch względem pionowego położenia spoczynkowego.

Wyróżniamy dwie podstawowe odmiany wywoływacza płytowego:



wywoływacz wahadłowy – płyta oscyluje tutaj wahadłowo względem poziomej osi obrotu znajdującej
się na dole płyty. Wywoływacz taki nadaje się bardzo dobrze do wytwarzania fali głębokowodnej.



wywoływacz tłokowy – w tym wypadku płyta wykonuje przesunięcie poziome i z tego względu
wywoływacz taki stosowany jest do wytwarzania fali płytkowodnej charakteryzującej się poziomymi
oscylacjami cząsteczek wody o stałej amplitudzie w całej głębokości akwenu.

b)  Wywoływacze  nurnikowe  –  elementem  wywołującym  tutaj  falę  jest  nurnik  o  dowolnym  profilu
wykonujący  oscylacje  pionowe.  Wywoływacz  nurnikowy  o  profilu  niesymetrycznym,  z  tylną  ścianą
pionową  wytwarza  falę  tylko  w  jednym  kierunku  co  pozwala  na  jego  umieszczenie  na  samym  brzegu
basenu co nie wpływa negatywnie na jego długość jak w przypadku innych wywoływaczy.



ruch jednostajny prostoliniowy – ruch jednostajny po torze prostoliniowym, czyli ruch odbywający się

wzdłuż prostej ze stałą prędkością.



ruch jednostajny po okręgu – ruch po torze o kształcie okręgu z prędkością o stałej wartości, tzn. v =
const. Ruch jednostajny po okręgu jest ruchem niejednostajnie przyspieszonym, tzn. kierunek i zwrot

str. 5

wektorów przyspieszenia a i prędkości v zmieniają się cały czas w trakcie ruchu, nie zmieniają się
natomiast ich wartości.

c)  Wywoływacze  pneumatyczne  –  wytwarzają  falowanie  pod  wpływem  pulsacji  ciśnienia  ponad
swobodną powierzchnią wody. Działanie ich jest analogiczne do działania wywoływacza nurnikowego z
nurnikiem o profilu prostokątnym.

d) Wywoływacze rotacyjne  –  mają postać walców mimośrodowych, kół łopatkowych itp. Nie mają one
większego znaczenia praktycznego.

3.2.2. Wpływ głębokości akwenu na charakter i prędkość fali.

Wyróżniamy trzy przypadki, w których rozpatrywany jest wpływ głębokości akwenu na prędkość fali:

a) Głębokość akwenu jest większa od połowy fali
Cząsteczki cieczy w ruchu  falowym zakreślają trajektorie kołowe, których promień, równy amplitudzie
fali na swobodnej powierzchni wody, maleje wykładniczo w miarę oddalania się od niej, Na głębokości
przekraczającej  połowę  długości  fali  ruch  falowy  staje  się  niedostrzegalny.  Fala  taka  nazywa  się  falą
głębokowodną albo krótką. Prędkość fali głębokowodnej jest niezależna od głębokości akwenu i wzrasta
wraz ze wzrostem długości fali.

b) Głębokość akwenu jest mniejsza od połowy długości fali
W takim wypadku ruch falowy rozciąga się na całą głębokość akwenu, trajektorie cząsteczek zamieniają
się  z  kołowych  na  eliptyczne,  spłaszczające  się  w  miarę  oddalenia  od  swobodnej  powierzchni  wody.
Prędkość  fali  rośnie  wraz  z  długością  fali,  będąc  zależną  jednocześnie  od  długości  fali  i  głębokości
akwenu.

c) Jeżeli głębokość wody maleje
Powstała fala nazywana jest falą płytkowodną albo długą. Prędkość fali płytkowodnej jest niezależna od
długości  fali,  będąc  jedynie  funkcją  głębokości  akwenu.  W  odróżnieniu  od  fali  głębokowodnej,  fala
płytkowodna posiada prędkość graniczną, której dla danej głębokości nie można przekroczyć.

3.3. Urządzenia pomiarowe:

Do  pomiaru  korzystaliśmy  z  częstościomierza  elektronicznego.  Do  pomiaru  amplitudy  fali  posłużyła
sonda  elektroniczna  typu  oporowego  lub  pojemnościowego.  Elementem  oporowym  jest  warstwa  wody
zawarta  między  dwoma  pionowymi  nie  izolowanymi  elektrodami.  Miarą  zmian  wysokości  dali  jest
zmienność  oporu  elektrycznego  warstwy  wody  pomiędzy  elektrodami.  Odpowiednio  przetworzony
sygnał jest kierowany do rejestratora. W przeprowadzonych przez nas pomiarach przetwornikami sondy
są  dwie  pionowe  elektrody  izolowane  tefloriem,  tworzące  wraz  z  otaczającą  wodą  kondensator  o
zmiennej pojemności.

3.3.1. Sondy falowe.

Do pomiaru amplitudy fali służy sonda elektryczna typu oporowego lub pojemnościowego.

3.3.2. Pochłaniacze fal.

Z powodu skończonej długości basenu modelowego i powstających w ten sposób fal odbitych używa
się w celu jak największego ich wygłuszenia tzw. pochłaniaczy fal. Działanie ich polega na wytraceniu
energii fali przez tarcie i załamanie na powierzchni czynnej pochłaniacza zwanej plażą. Skuteczność
pochłaniacza zależna jest od struktury jego powierzchni, profilu oraz długości.

str. 6

4. Wyniki pomiarów

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. W przypadku fal mechanicznych
cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi, przy czym przenoszą
energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii.

Wszystkie fale wykazują następujące własności:



prostoliniowe rozchodzenie się fali w ośrodkach jednorodnych,



odbicie – po dojściu do granicy ośrodków fale zmieniają kierunek poruszając się nadal w tym samym

ośrodku



załamanie – na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza się z inną
prędkością, zmienia kierunek swego biegu,



dyfrakcja – uginanie się fali na krawędziach, czego skutkiem jest zdolność do omijania przeszkód

mniejszych niż długość fali, oraz powstawanie pasków dyfrakcyjnych po przejściu fali przez wąską
szczelinę albo przeszkodę;

Rozchodzące fale nakładają się na siebie w wyniku czego zachodzą zjawiska:



interferencja – nakładanie się spójnych fal z różnych źródeł, które prowadzi do wzmocnienia lub

wygaszenia się fal;



dudnienie – oscylacje amplitudy fali;

Fale o różnych długościach mogą w różnych ośrodkach rozchodzić się z różnymi prędkościami. Efekt
ten, nazywamy dyspersją fali, powoduje na przykład:



rozszczepienie – załamanie fal pod różnymi kątami, zależnie od ich długości, powoduje rozkład fali na

fale składowe, np. rozszczepienie światła w pryzmacie;

4.1. falowanie nr 1:
Pierwsza fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.

V [ dm

]

h [ mm ]

H [ m ]

C [ m ]

L [ m ]

T [ s ]

v [ mm / s ]

0,135

118,5

1,5

0,992

119,46

4.2. falowanie nr 2:
Druga fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.

V [ dm

]

h [ mm ]

H [ m ]

C [ m ]

L [ m ]

T [ s ]

v [ mm / s ]

0,135

95,63

1,5

1,195

80,03

4.3. falowanie nr3:
Trzecia fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.

V [ dm

]

h [ mm ]

H [ m ]

C [ m ]

L [ m ]

T [ s ]

v [ mm / s ]

0,135

107,61

1,5

1,083

99,36

str. 7

Gdzie:
V – objętość basenu
h – amplituda falowania
H – wysokość wody w basenie
C – szerokość basenu
L – długość basenu
T – okres
v – prędkość fali (h/T)

Tabela 4.1a

118,5

95,63

107,61

100

150

fala nr 1

fala nr 2

fala nr 3

h - amplituda falowania [ mm ]

Tabela 4.2b

0,992

1,195

1,083

0,5

1,5

fala nr 1

fala nr 2

fala nr 3

T - okres [ s ]

Tabela 4.3c

119,46

80,03

99,36

100

120

140

fala nr 1

fala nr 2

fala nr 3

v - prędkość fali [ mm / s ]

str. 8

5. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań



badania przeprowadzono dla 3 fal regularnych;



fale regularne można zaobserwować jedynie w warunkach doświadczalnych;



największą amplitudę falowania posiadała fala nr 1(tabela 4.a) – największa prędkość i najkrótszy
czas;



najdłuższy czas falowania posiada fala nr 2 (tabela 4.b) – najmniejsza prędkość i najmniejsza
amplituda;



największą prędkość falowania posiada fala nr 1 (tabela 4.c) – największa amplituda i najkrótszy czas;



amplituda falowania jest zależna od prędkości: czym większa prędkość falowania tym większa
amplituda i jednocześnie krótszy czas falowania;



największą energię falowania posiadała fala nr 1

6. Uwagi krytyczne studentów, wynikające ze zdobytej wiedzy

a) Badanie zostało przeprowadzone w basenie modelowym co oznacza że pomiary są niezgodne z

rzeczywistością. Nie można w warunkach naturalnych wytworzyć tak idealnych fal.

b) Fala wytworzona w basenie doświadczalnym różni się zawsze od fali występującej na akwenie

nieograniczonym. Przyczynami są:



skończona długość basenu powoduje nakładanie się na falę wytworzona przez wywoływacz
fali odbitej od przeciwległej ściany basenu;



skończona szerokość basenu uniemożliwia uzyskanie fali idealnie cylindrycznej;

c) Falowanie nieregularne - aby odtworzyć ten proces w basenie doświadczalnym, należy wytworzyć

fale o widmie ciągłym lub fale o widmie dyskretnym. Do generacji takiej fali może być
zastosowany wywoływacz dowolnego typu. Należy wytworzyć odpowiedni sygnał sterujący
układ napędowy wywoływacza.

d) Basen modelowy na którym były przeprowadzone pomiary fali jest zaopatrzony w przestarzałe

urządzenia. Dzisiejsza technika pozwala na stworzenie i użytkowanie lepszych przyrządów do
pomiaru fali.

e) Model falowania nieregularnego, oparty na definicji procesu losowego posiada pewne wady. Po

pierwsze jest to model uproszczony, więc nie jesteśmy w stanie przeprowadzić dokładnych badań.
Po  drugie  fale  występujące  w  rzeczywistych  warunkach  morskich  bardzo  rzadko  są  falami
regularnymi  (np.  fale  posztormowe)  także  nie  jesteśmy  na  podstawie  tego  badania  stwierdzić
profilu  fal  nieregularnych,  które  są  dużo  częściej  spotykane.  Jednak  jako,  że  falowanie
nieregularne jest trudne do opisania zarówno matematycznie jak i fizycznie to wiedza zdobyta na
podstawie prostszych  badań daje  nam  pewien obraz sytuacji  jaka  może  nas  spotkać w realnych
warunkach.  Pewne  zachowania  fal  są  takie  same  dla  regularnych  jak  i  nieregularnych.  Można
określić wpływ prędkości czy amplitudy na falę.