En dinámica de fluidos , la dispersión de las ondas en el agua generalmente se refiere a la dispersión de frecuencia , lo que significa que las ondas de diferentes longitudes de onda viajan a diferentes velocidades de fase . Las ondas en el agua, en este contexto, son ondas que se propagan en la superficie del agua , con la gravedad y la tensión superficial como fuerzas restauradoras . Como resultado, el agua con una superficie libre generalmente se considera un medio dispersivo .
Para una cierta profundidad de agua, las ondas de gravedad superficiales (es decir, las ondas que se producen en la interfaz aire-agua y la gravedad como la única fuerza que la restablece a la planitud) se propagan más rápido con el aumento de la longitud de onda . Por otro lado, para una longitud de onda dada (fija), las ondas de gravedad en aguas más profundas tienen una velocidad de fase mayor que en aguas menos profundas . [1] En contraste con el comportamiento de las ondas de gravedad, las ondas capilares (es decir, solo forzadas por la tensión superficial) se propagan más rápido para longitudes de onda más cortas.
Además de la dispersión de frecuencia, las ondas de agua también presentan dispersión de amplitud. Se trata de un efecto no lineal , por el cual las ondas de mayor amplitud tienen una velocidad de fase diferente a la de las ondas de menor amplitud.
Esta sección trata sobre la dispersión de frecuencias de las ondas en una capa de fluido forzadas por la gravedad y de acuerdo con la teoría lineal. Para conocer los efectos de la tensión superficial en la dispersión de frecuencias, consulte los efectos de la tensión superficial en la teoría de ondas de Airy y ondas capilares .
La onda que se propaga de forma invariable más simple es una onda sinusoidal . Una onda sinusoidal con elevación de la superficie del agua η ( x , t ) se expresa mediante: [2]
donde a es la amplitud (en metros) y θ = θ ( x , t ) es la función de fase (en radianes ), dependiendo de la posición horizontal ( x , en metros) y el tiempo ( t , en segundos ): [3]
dónde:
Las fases características de una ola de agua son:
Una determinada fase se repite después de un número entero m múltiplo de 2π : sin( θ ) = sin( θ+m•2π ).
Esencial para las ondas de agua y otros fenómenos ondulatorios en física , es que las ondas de propagación libre de amplitud distinta de cero solo existen cuando la frecuencia angular ω y el número de onda k (o equivalentemente la longitud de onda λ y el período T ) satisfacen una relación funcional : la relación de dispersión de frecuencia [4] [5]
La relación de dispersión tiene dos soluciones: ω = +Ω(k) y ω = −Ω(k) , correspondientes a ondas que se propagan en la dirección x positiva o negativa . La relación de dispersión dependerá, en general, de varios otros parámetros además del número de onda k . Para las ondas de gravedad, según la teoría lineal, estos son la aceleración de la gravedad g y la profundidad del agua h . La relación de dispersión para estas ondas es: [6] [5]
o
una ecuación implícita donde tanh denota la función tangente hiperbólica .
Una fase de onda inicial θ = θ 0 se propaga en función del espacio y del tiempo . Su posición posterior viene dada por:
Esto demuestra que la fase se mueve con la velocidad: [2]
que se llama velocidad de fase.
Una onda sinusoidal , de pequeña amplitud de elevación superficial y con una longitud de onda constante , se propaga con la velocidad de fase , también llamada celeridad o velocidad de fase. Mientras que la velocidad de fase es un vector y tiene una dirección asociada, la celeridad o velocidad de fase se refieren únicamente a la magnitud de la velocidad de fase. Según la teoría lineal para las ondas forzadas por la gravedad, la velocidad de fase depende de la longitud de onda y de la profundidad del agua. Para una profundidad de agua fija, las ondas largas (con gran longitud de onda) se propagan más rápido que las ondas más cortas.
En la figura de la izquierda, se puede ver que las ondas en aguas poco profundas , con longitudes de onda λ mucho mayores que la profundidad del agua h , viajan con la velocidad de fase [2]
donde g es la aceleración de la gravedad y c p la velocidad de fase. Como esta velocidad de fase en aguas poco profundas es independiente de la longitud de onda, las ondas en aguas poco profundas no tienen dispersión de frecuencia.
Utilizando otra normalización para la misma relación de dispersión de frecuencia, la figura de la derecha muestra que para una longitud de onda fija λ la velocidad de fase c p aumenta con el aumento de la profundidad del agua. [1] Hasta que, en aguas profundas con una profundidad h mayor que la mitad de la longitud de onda λ (por lo que para h/λ > 0,5 ), la velocidad de fase c p es independiente de la profundidad del agua: [2]
donde T es el período de la ola (el recíproco de la frecuencia f , T=1/f ). Por lo tanto, en aguas profundas la velocidad de fase aumenta con la longitud de onda y con el período.
Dado que la velocidad de fase satisface c p = λ/T = λf , la longitud de onda y el período (o frecuencia) están relacionados. Por ejemplo, en aguas profundas:
Las características de dispersión para la profundidad intermedia se dan a continuación.
La interferencia de dos ondas sinusoidales con longitudes de onda ligeramente diferentes, pero con la misma amplitud y dirección de propagación, da como resultado un patrón de batido , llamado grupo de ondas. Como se puede ver en la animación, el grupo se mueve con una velocidad de grupo c g diferente de la velocidad de fase c p , debido a la dispersión de frecuencia.
La velocidad de grupo se representa mediante las líneas rojas (marcadas B ) en las dos figuras anteriores. En aguas poco profundas, la velocidad de grupo es igual a la velocidad de fase en aguas poco profundas. Esto se debe a que las olas en aguas poco profundas no son dispersivas. En aguas profundas, la velocidad de grupo es igual a la mitad de la velocidad de fase: {{math| c g = 1/2 c p . [7]
La velocidad de grupo también resulta ser la velocidad de transporte de energía, es decir, la velocidad con la que la energía media de las ondas se transporta horizontalmente en un campo de ondas de banda estrecha . [8] [9]
En el caso de una velocidad de grupo diferente de la velocidad de fase, una consecuencia es que el número de ondas contadas en un grupo de ondas es diferente cuando se cuentan a partir de una instantánea en el espacio en un momento determinado, que cuando se cuentan en el tiempo a partir de la elevación de la superficie medida en una posición fija. Consideremos un grupo de ondas de longitud Λ g y una duración de grupo de τ g . La velocidad de grupo es: [10]
El número de ondas de un grupo de ondas, medido en el espacio en un momento determinado, es: Λ g / λ . Si bien se mide en un lugar fijo en el tiempo, el número de ondas de un grupo es: τ g / T . Por lo tanto, la relación entre el número de ondas medidas en el espacio y las medidas en el tiempo es:
Entonces, en aguas profundas, con c g = 1/2 c p , [11] un grupo de ondas tiene el doble de ondas en el tiempo que en el espacio. [12]
La elevación de la superficie del agua η(x,t) , en función de la posición horizontal x y el tiempo t , para un grupo de ondas bicromáticas de modulación completa se puede formular matemáticamente como: [11]
con:
Tanto ω 1 como k 1 , así como ω 2 y k 2 , deben satisfacer la relación de dispersión:
Utilizando identidades trigonométricas , la elevación de la superficie se escribe como: [10]
La parte entre corchetes es la amplitud que varía lentamente del grupo, con número de onda del grupo .1/2 ( k 1 − k 2 ) y frecuencia angular del grupo 1/2 ( ω 1 − ω 2 ) . Como resultado, la velocidad del grupo es, para el límite k 1 → k 2 : [10] [11]
Los grupos de ondas solo se pueden discernir en el caso de una señal de banda estrecha, con una diferencia de número de onda k 1 − k 2 pequeña en comparación con el número de onda medio .1/2 ( k1 + k2 ) .
El efecto de la dispersión de frecuencia es que las ondas se propagan en función de la longitud de onda, de modo que las propiedades de fase espacial y temporal de la onda que se propaga cambian constantemente. Por ejemplo, bajo la acción de la gravedad, las ondas de agua con una longitud de onda más larga se propagan más rápido que las de una longitud de onda más corta.
Mientras que dos ondas sinusoidales superpuestas, llamadas ondas bicromáticas, tienen una envolvente que se propaga sin cambios, tres o más componentes de ondas sinusoidales dan como resultado un patrón cambiante de las ondas y su envolvente. Un estado del mar , es decir, olas reales en el mar o el océano, puede describirse como una superposición de muchas ondas sinusoidales con diferentes longitudes de onda, amplitudes, fases iniciales y direcciones de propagación. Cada uno de estos componentes se propaga con su propia velocidad de fase, de acuerdo con la relación de dispersión. Las estadísticas de una superficie de este tipo pueden describirse mediante su espectro de potencia . [13]
En la siguiente tabla se da la relación de dispersión ω 2 = [ Ω(k) ] 2 entre la frecuencia angular ω = 2π / T y el número de onda k = 2π / λ , así como las velocidades de fase y de grupo. [10]
Las aguas profundas corresponden a profundidades de agua mayores que la mitad de la longitud de onda , que es la situación común en el océano. En aguas profundas, las ondas de período más largo se propagan más rápido y transportan su energía más rápido. La velocidad de grupo de aguas profundas es la mitad de la velocidad de fase . En aguas poco profundas , para longitudes de onda mayores que veinte veces la profundidad del agua, [14] como se encuentra bastante a menudo cerca de la costa, la velocidad de grupo es igual a la velocidad de fase.
La ecuación de dispersión lineal completa fue descubierta por primera vez por Pierre-Simon Laplace , aunque hubo algunos errores en su solución para el problema de las ondas lineales. La teoría completa para las ondas lineales en el agua, incluida la dispersión, fue derivada por George Biddell Airy y publicada alrededor de 1840. Una ecuación similar también fue descubierta por Philip Kelland aproximadamente en la misma época (pero cometió algunos errores en su derivación de la teoría de las ondas). [15]
El límite de aguas poco profundas (con h / λ pequeño ), ω 2 = gh k 2 , fue derivado por Joseph Louis Lagrange .
En el caso de ondas gravitacionales-capilares, donde la tensión superficial afecta las ondas, la relación de dispersión se convierte en: [5]
siendo σ la tensión superficial (en N/m).
En una interfaz agua-aire (con σ = 0,074 N/m y ρ = 1000 kg/m 3 ), las ondas pueden aproximarse como ondas capilares puras –dominadas por efectos de tensión superficial– para longitudes de onda inferiores a 0,4 cm (0,2 pulgadas). Para longitudes de onda superiores a 7 cm (3 pulgadas), las ondas son, en buena aproximación , ondas gravitacionales superficiales puras con muy pocos efectos de tensión superficial. [16]
Para dos capas homogéneas de fluidos, de espesor medio h por debajo de la interfaz y h ′ por encima – bajo la acción de la gravedad y limitadas arriba y abajo por paredes rígidas horizontales – la relación de dispersión ω 2 = Ω 2 ( k ) para las ondas de gravedad se proporciona por: [17]
donde nuevamente ρ y ρ ′ son las densidades por debajo y por encima de la interfaz, mientras que coth es la función cotangente hiperbólica . Para el caso en que ρ ′ es cero, esto se reduce a la relación de dispersión de las ondas de gravedad superficiales en agua de profundidad finita h .
Cuando la profundidad de las dos capas de fluido se vuelve muy grande ( h →∞, h ′ →∞), las cotangentes hiperbólicas en la fórmula anterior se aproximan al valor de uno. Entonces:
Los efectos de dispersión de amplitud aparecen, por ejemplo, en la onda solitaria : una única joroba de agua que se desplaza con velocidad constante en aguas poco profundas con un lecho horizontal. Obsérvese que las ondas solitarias son casi solitones , pero no exactamente: después de la interacción de dos ondas solitarias (que chocan o se adelantan), han cambiado un poco en amplitud y queda un residuo oscilatorio. [18] La solución de un solo solitón de la ecuación de Korteweg-de Vries , de altura de onda H en la profundidad del agua h lejos de la cresta de la onda, se desplaza con la velocidad:
Por lo tanto, para esta onda de gravedad no lineal, la profundidad total del agua bajo la cresta de la ola es lo que determina la velocidad, y las olas más altas viajan más rápido que las olas más bajas. Tenga en cuenta que las soluciones de ondas solitarias solo existen para valores positivos de H ; no existen ondas de gravedad solitarias de depresión.
La relación de dispersión lineal – no afectada por la amplitud de la onda – es también correcta para ondas no lineales en el segundo orden de la expansión de la teoría de perturbación , con los órdenes en términos de la inclinación de la onda ka (donde a es la amplitud de la onda ). En el tercer orden, y para aguas profundas, la relación de dispersión es [19]
Esto implica que las ondas grandes viajan más rápido que las pequeñas de la misma frecuencia. Esto solo se nota cuando la pendiente de la onda ka es grande.
Las ondas de agua en un flujo medio (es decir, una onda en un medio en movimiento) experimentan un efecto Doppler . Supongamos que la relación de dispersión para un medio inmóvil es:
donde k es el número de onda. Entonces, para un medio con vector de velocidad media V , la relación de dispersión con el desplazamiento Doppler se convierte en: [20]
donde k es el vector de número de onda, relacionado con k como: k = | k |. El producto escalar k • V es igual a: k • V = kV cos α , con V la longitud del vector de velocidad media V : V = | V |. Y α el ángulo entre la dirección de propagación de la onda y la dirección media del flujo. Para ondas y corriente en la misma dirección, k • V = kV .