Jaki jest mechanizm fal na wodzie?

Pytanie

Pyta Anna

Jak powstaje zjawisko fali na wodzie? Czy to tylko cząstki wody poruszające się w górę i dół? Ale jeśli tak, to dlaczego fale morskie rozbijają się o brzeg?

Odpowiedź

Odpowiada Wojciech Lulka

Fale na wodzie tak naprawdę nie są falą poprzeczną (czyli taką, w której cząsteczki poruszają się prostopadle do kierunku ruchu). Nie są również falą podłużną (czyli taką, w której cząsteczki poruszają się zgodnie z kierunkiem fali). Cząsteczki wody, tak naprawdę, w trakcie falowania poruszają się po okręgu, lub ściślej mówiąc po elipsach, czyli są jednocześnie falą poprzeczna i podłużną. Gdyby fale na wodzie fale na wodzie były tylko falą poprzeczną, to miałyby kształt sinusoidy, a tak naprawdę fale mają kształt z delikatnym zaostrzeniem na szczycie. Ruch cząsteczek w wodzie obrazuje dobrze poniższa animacja (należy w nią kliknąć aby się odtworzyła):

Deep_water_wave

Jak widzimy cząsteczki wody w trakcie falowania rzeczywiście poruszają się po elipsach. Jednak nawet na tej animacji widać, że cząsteczki, szczególnie na szczycie fali, powoli się poruszają. Jest to dryf Stokesa, który polega na właśnie takim delikatnym ruchu cząsteczek do przodu. Wynika on przede wszystkim z tarcia wody o dno oceanu, tj. cząsteczka na dnie, z powodu tarcia, porusza się troszeczkę mniej, niż robiłaby to bez tarcia. Na tej animacji stosunek długości fali do głębokości wynosi ok. 2:1, co jest jednak znaczące, więc delikatny dryf występuje. Na środku oceanu, gdzie głębokość może wynosić blisko 3 km, taki dryf jest zaniedbywalny. Jednak, co istotne, wraz ze zbliżaniem się fali do brzegu taki ruch cząsteczek na szczycie fali zaczyna być istotny, ponadto trajektoria cząsteczek zaczyna być coraz bardziej eliptyczna:

Shallow_water_wave

Jak widać na powyższej animacji, cząsteczki na szczycie fali poruszają się bardzo szybko z dwóch powodów: spłaszczenia ich orbit z okrągłych do eliptycznych oraz dryfu Stokesa. Dlatego też fale morskie mogą na brzeg coś wyrzucić, albo po prostu się rozbijają.