En dinámica de fluidos y terminología náutica , una ola rompiente o rompeolas es una ola con suficiente energía para " romper " en su punto máximo, alcanzando un nivel crítico en el que la energía lineal se transforma en energía de turbulencia de la ola con una curva hacia adelante distintiva. En este punto, los modelos físicos simples que describen la dinámica de las olas a menudo se vuelven inválidos, en particular aquellos que suponen un comportamiento lineal.
El tipo de ola rompiente más conocido es la que se produce en la superficie del agua en la costa. La ola rompiente ocurre generalmente cuando la amplitud alcanza el punto en el que la cresta de la ola se vuelca. Algunos otros efectos en la dinámica de fluidos también se han denominado "olas rompientes", en parte por analogía con las olas de la superficie del agua. En meteorología , se dice que las ondas de gravedad atmosféricas rompen cuando la ola produce regiones donde la temperatura potencial disminuye con la altura, lo que lleva a la disipación de energía a través de la inestabilidad convectiva ; de la misma manera, se dice que las ondas de Rossby rompen [1] cuando se invierte el gradiente de vorticidad potencial . La ruptura de olas también ocurre en plasmas , [2] cuando las velocidades de las partículas exceden la velocidad de fase de la ola . Otra aplicación en la física del plasma es la expansión del plasma en el vacío, en la que el proceso de ruptura de la ola y el desarrollo posterior de un pico de iones rápidos se describe mediante la ecuación de Sack-Schamel .
Un arrecife o punto de agua poco profundo, como un banco de arena, contra el cual rompen las olas también puede conocerse como rompiente.
La rotura de las olas en la superficie del agua puede producirse en cualquier lugar donde la amplitud sea suficiente, incluso en medio del océano. Sin embargo, es especialmente frecuente en las playas, ya que la altura de las olas se amplifica en la región de aguas menos profundas (porque la velocidad de grupo es menor allí). Véase también olas y aguas poco profundas .
Existen cuatro tipos básicos de olas rompientes: las que se derraman, las que se hunden, las que colapsan y las que se elevan. [3]
Cuando el fondo del océano tiene una pendiente gradual, la ola se hace más empinada hasta que la cresta se vuelve inestable, lo que da como resultado aguas bravas turbulentas que se derraman por la cara de la ola. Esto continúa a medida que la ola se acerca a la costa y la energía de la ola se disipa lentamente en las aguas bravas. Debido a esto, las olas que se derraman rompen durante más tiempo que otras olas y crean una ola relativamente suave. Las condiciones del viento en tierra hacen que sea más probable que se produzcan olas que se derramen.
Una ola que se precipita se produce cuando el fondo del océano es empinado o tiene cambios repentinos de profundidad, como por ejemplo desde un arrecife o un banco de arena. La cresta de la ola se vuelve mucho más empinada que una ola que se desborda, se vuelve vertical, luego se curva y cae sobre el valle de la ola, liberando la mayor parte de su energía de una sola vez en un impacto relativamente violento. Una ola que se desborda rompe con más energía que una ola que se desborda significativamente más grande. La ola puede atrapar y comprimir el aire debajo del borde, lo que crea el sonido de "rotura" asociado con las olas. Con olas grandes, este choque puede ser sentido por los bañistas en tierra. Las condiciones del viento en alta mar pueden hacer que las olas se desborden con mayor probabilidad.
Si una ola que se precipita no es paralela a la playa (o al fondo del océano), la sección de la ola que llega a aguas poco profundas romperá primero, y la sección que se rompe (o rizo) se moverá lateralmente a través de la cara de la ola a medida que esta continúa. Este es el "tubo" que tanto buscan los surfistas (también llamado "barril", "pozo" y "sala verde", entre otros términos). El surfista intenta permanecer cerca o debajo del borde que se estrella, a menudo tratando de permanecer lo más "profundo" posible en el tubo mientras aún puede avanzar y salir del tubo antes de que se cierre. Una ola que se precipita y es paralela a la playa puede romper en toda su longitud a la vez, lo que la hace imposible de surfear y peligrosa. Los surfistas se refieren a estas olas como "cerradas".
Las olas que colapsan son un cruce entre olas que se hunden y olas que se elevan, en las que la cresta nunca se rompe por completo, pero la cara inferior de la ola se vuelve más empinada y colapsa, dando lugar a la formación de espuma.
Las olas rompientes se originan a partir de olas de período largo y baja inclinación y/o perfiles de playa empinados. El resultado es el rápido movimiento de la base de la ola hacia arriba por la pendiente de resaca y la desaparición de la cresta de la ola. La cara frontal y la cresta de la ola permanecen relativamente lisas con poca espuma o burbujas, lo que da como resultado una zona de rompientes muy estrecha o ninguna ola rompiente en absoluto. La breve y aguda ráfaga de energía de las olas significa que el ciclo de resaca/retrolave se completa antes de la llegada de la siguiente ola, lo que lleva a un valor bajo de la diferencia de fase de Kemp (< 0,5). Las olas rompientes son típicas de los estados de playa reflectantes. En playas más empinadas, la energía de la ola puede ser reflejada por el fondo de regreso al océano, lo que causa ondas estacionarias .
Durante la rotura, se forma una deformación (normalmente un abultamiento) en la cresta de la ola, cuyos lados delanteros se conocen como "punta". Se forman ondas capilares parásitas, con longitudes de onda cortas. Las que se encuentran por encima de la "punta" tienden a tener longitudes de onda mucho más largas. Sin embargo, esta teoría es todo menos perfecta, ya que es lineal. Ha habido un par de teorías no lineales del movimiento (con respecto a las ondas). Una de ellas utiliza un método de perturbación para ampliar la descripción hasta el tercer orden, y desde entonces se han encontrado mejores soluciones. En cuanto a la deformación de las olas, se han creado métodos muy similares al método de la integral de contorno y al modelo de Boussinesq .
Se ha descubierto que los detalles de alta frecuencia presentes en una ola rompiente juegan un papel en la deformación y desestabilización de la cresta. La misma teoría amplía este punto y afirma que los valles de las ondas capilares crean una fuente de vorticidad . Se dice que la tensión superficial (y la viscosidad ) son significativas para las ondas de hasta unos 7 cm (3 pulgadas) de longitud de onda. [4]
Sin embargo, estos modelos tienen fallos, ya que no pueden tener en cuenta lo que le sucede al agua después de que la ola se rompe. La formación de remolinos después de la rotura y la turbulencia creada por la rotura son en su mayoría poco investigadas. Es comprensible que pueda resultar difícil obtener resultados predecibles del océano.
Después de que la punta de la ola se da vuelta y el chorro colapsa, se crea un vórtice horizontal muy coherente y definido . Las olas que se precipitan crean remolinos secundarios a lo largo de la cara de la ola. Los pequeños remolinos horizontales aleatorios que se forman en los lados de la ola sugieren que, tal vez, antes de romper, la velocidad del agua era más o menos bidimensional. Esta se vuelve tridimensional al romper.
El vórtice principal que se encuentra a lo largo del frente de la ola se difunde rápidamente hacia el interior de la ola después de romperse, a medida que los remolinos en la superficie se vuelven más viscosos. La advección y la difusión molecular desempeñan un papel en el estiramiento del vórtice y la redistribución de la vorticidad, así como en la formación de cascadas de turbulencia. La energía de los grandes vórtices se transfiere, mediante este método, a vórtices isotrópicos mucho más pequeños.
Se han realizado experimentos para deducir la evolución de la turbulencia después de la rotura, tanto en aguas profundas como en la playa.
