Крутизна редко превышает 1/10 (10 %), при достижении такой величины начинается обрушение гребня и волна разрушается.[10] Теоретически максимально возможная крутизна равна 1/7 (14, 3 %) и не зависит от высоты волны — будет ли она 10 метров или только 0, 5 метра; в море волны с такой крутизной практически никогда не встречаются.[11]
В крутых волнах орбитальная скорость на гребнях (скорость вращения частиц на гребнях, рис. 35) гораздо больше орбитальной скорости на мелководье, вычисленной теоретически. Когда на гребнях орбитальная скорость превышает скорость самой волны, частицы воды, так сказать, пытаются ее обогнать, и в этот момент происходит обрушение.
Рис. 44. Типичная форма морской волны. Гребни уже ложбины, передние склоны круче тыловых
В определение крутизны не входит максимальный градиент[12] волнового склона. Этот градиент может существенно изменяться и в некоторых случаях бывает направлен к гребням почти вертикально, хотя с такими волнами маленьким судам приходится сталкиваться редко.
Форма волн на поверхности воды может существенно отличаться от большинства других роли в природе. Обычно гребни круче и уже, а ложбины более плоские и длинные. Передний склон волны обычно круче, чем задний (тыловой). На рис. 44 показана типичная форма ветровой волны.
Когда волны набегают на мелководье, где глубины менее половины длины волн, волнение претерпевает значительное изменение. Мелководье не влияет на период волн, но это единственная характеристика, которая остается неизменной. Изменяется форма и уменьшаются длина и скорость волны. Гребни становятся круче и уже, а ложбины площе. В результате на поверхности воды видны изолированные волны, а не следующие друг за другом волновые системы.
Пологие волны могут проходить мелководье без обрушения, но при достижении максимальной крутизны гребни будут опрокидываться. Широко известно, что по обрушению волн можно судить о наличии мелководий, которые не обязательно возвышаются над поверхностью воды.
Причина этих изменений — уменьшение скорости волны из-за ограниченной глубины. Это хорошо видно при наблюдении за лодками, плывущими по очень мелкому месту. При движении любой лодки создаются корабельные волны, которые перемещаются со скоростью лодки. На очень мелкой воде скорость корабельной волны ограничена глубиной воды. Иногда корабельная волна становится крутой, тогда она опрокидывается, сильно препятствуя попыткам ускорить движение лодки.
Замедление волн при косом подходе к мелководью приводит к рефракции. Из-за рефракции направление фронта волн, независимо от первоначального угла подхода, разворачивается параллельно берегу. Почти всем хорошо известен вид обрушивающейся гряды волн, движущейся примерно параллельно береговой линии криволинейного залива. Возникает вопрос: «Почему волны не продолжают идти прямолинейным путем, как в открытом море?»
Рефракция вызывается замедлением движения фронта волн при приближении к мелководью. Когда фронт волн подходит под некоторым углом, то вначале тормозится ближайший к берегу участок фронта, а другой его конец в это время идет с прежней скоростью. Постепенно, с уменьшением глубины, внутренняя часть фронта начинает двигаться медленнее, чем внешняя, и наконец весь фронт волн в целом разворачивает к линии берега; это чем-то напоминает поворот шеренги войск, когда внутренний ее конец шагает на месте, а внешний марширует полным шагом.
Рис. 45. При выходе волн на мелководье замедление одного конца фронта раньше другого вызывает рефракцию
На рис. 45 показана рефракция волн, бегущих с глубокой воды на внезапно появившееся мелководье. Конечно, в природе между различными глубинами редко имеется четкая граница, но для наших целей этот пример наиболее удобен. Один конец волнового фронта замедляется раньше, чем другой, что, в свою очередь, приводит к уменьшению длины волны на этом участке, и в результате фронт волн частично поворачивает к береговой линии. Общее изменение фронта волн полностью зависит от относительных длин волн на глубокой и мелкой воде (см. также рис. 83 и 84).
На рис. 46 сделана попытка показать подход волн к заливу с постепенно изменяющимися глубинами. Гребни волн (показаны штриховыми линиями), приближаясь к пляжу, стремятся к положению, параллельному линии берега.
11
Сказанное относятся к волнам на глубокой воде при отсутствии течений и мелководий. Данные измерений, выполненных в последнее время, показывают, что при особых условиях волнообразования, возможно, и встречаются волны с крутизной, близкой к теоретической. (Прим. перев.)