將一塊石頭扔進(jìn)平靜的湖水中，很快就會(huì)形成以石頭落入水中的地方為中心的圓形波浪。 水面上的顆粒似乎上下振動(dòng)，波浪向外傳播橫波縱波，就像橫波一樣。 我們都知道氣體和液體、固體可以傳播縱波橫波縱波，但是液體和氣體不能傳播橫波，那么水波也是縱波嗎？ 事實(shí)上，這種因水面擾動(dòng)而引起的波動(dòng)是常見的。 水粒子的振動(dòng)不僅限于水的表面，而且還發(fā)生在整個(gè)水面上。 一直到水底，振動(dòng)的幅度越來(lái)越小。 另外，振動(dòng)既有縱向分量，也有橫向分量，也必須服從流體動(dòng)力學(xué)定律，因此要充分分析
分析水波所需的數(shù)學(xué)方法相對(duì)復(fù)雜，但基于基本的物理方法進(jìn)行定性分析并不困難。
取一條橫截面為矩形且槽壁無(wú)摩擦的長(zhǎng)槽，其中含有不可壓縮的理想液體。 當(dāng)波沿凹槽傳播時(shí)，各液體單元離開平衡位置，同時(shí)產(chǎn)生縱向位移和橫向位移。 作用在液體元件上的恢復(fù)力一部分是由于液體中逐點(diǎn)深度變化引起的壓力差，另一部分是由于液體自由表面曲率引起的表面張力效應(yīng)。液體。
上表面的壓力恒定且等于大氣壓，凹槽底部的垂直位移始終為零。 一般來(lái)說(shuō)，液體顆粒在平行于凹槽長(zhǎng)度的垂直平面內(nèi)沿著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。 ，橢圓的長(zhǎng)軸是水平的。 這種運(yùn)動(dòng)可以看作是兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。 兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)具有相同的頻率但不同的幅度。 一個(gè)在水平方向振動(dòng)，另一個(gè)在垂直方向振動(dòng)。 相位差為90度。 因此，這種波可以看作是相位差90度、振幅不同的縱波和橫波的疊加。 如果波長(zhǎng)與水深相同，或者小于水深，那么在水面，兩個(gè)振幅幾乎相等，質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。 水平和垂直分量的幅度隨著深度的增加而減小，但垂直分量的幅度比水平分量減小得更快。 在溝槽底部，垂直分量變?yōu)榱悖⑶艺駝?dòng)都是縱向的。
圖中顯示了顆粒在凹槽中的運(yùn)動(dòng)路徑和波形。
上面的水平虛線代表靜止液體的自由表面，圓圈代表粒子的路徑。 粒子的平衡位置位于圓的中心。 當(dāng)一系列波從左到右穿過(guò)液體時(shí)，粒子在這些路徑上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 實(shí)線表示某一時(shí)刻液面的形狀。 下面的虛線表示粒子在液面以下一定深度處的平衡位置。 這些質(zhì)點(diǎn)的路徑都是橢圓形，虛線是液體自由表面具有圖中實(shí)線所示形狀時(shí)的情況。 形狀就是這些粒子的軌跡。
綜上所述，可見水波既不是橫波，也不是縱波。
海水的波浪成分比較復(fù)雜，洋流和水深的影響因風(fēng)和洋流的不同而變化很大。 但它確實(shí)有橫波和縱波。 將其視為橫波還是縱波取決于研究的目的，必要時(shí)需要同時(shí)考慮兩者。
波浪是如何形成的？ 這是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問題。 一般來(lái)說(shuō)，海水會(huì)受到外力的影響。 水（可以被視為無(wú)數(shù)有質(zhì)量的點(diǎn)）在其平衡位置附近周期性振動(dòng)。 也就是說(shuō)，水點(diǎn)是從最高點(diǎn)（波峰）開始的。 ）經(jīng)過(guò)平衡點(diǎn)再下降到最低點(diǎn)（波谷），再經(jīng)過(guò)平衡點(diǎn)又回到最高點(diǎn)，完成一個(gè)振動(dòng)循環(huán)。 這是因?yàn)楫?dāng)水點(diǎn)離開平衡位置時(shí)，有一種稱為恢復(fù)力（表面張力、重力等）的力試圖將其恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置。 然而，由于慣性效應(yīng)，振動(dòng)仍然保持并通過(guò)它。 周圍的水粒子向外擴(kuò)散，這個(gè)過(guò)程形成波浪。 您可以看到波浪從一側(cè)傳播到另一側(cè)。 事實(shí)上，一個(gè)水粒子并沒有移動(dòng)，只是其中的能量轉(zhuǎn)移到了其他粒子上，讓人感覺好像波本身會(huì)傳播到很遠(yuǎn)的地方。
波浪的成因很多，所以種類也很多； 有四種基本類型：毛細(xì)波、重力波、慣性波和行星波。 顧名思義，毛細(xì)波是相對(duì)較小的波。 它的波不是很高，但頻率最高。 一個(gè)波浪完成的時(shí)間很短，不到1秒，因?yàn)樗幕謴?fù)力是海水的表面張力。 隨著頻率的降低，重力逐漸成為主要的恢復(fù)力，稱為重力波。 重力波是由海水本身重力引起的波，頻率范圍很廣。 頻率較高且最常見的重力波是風(fēng)波和涌浪。 該周期通常為1-10秒。 風(fēng)是波浪的主要原因。 由風(fēng)的直接作用產(chǎn)生的波浪稱為風(fēng)波。 風(fēng)浪遠(yuǎn)離風(fēng)區(qū)。 到處廣播都會(huì)引起熱潮。 當(dāng)風(fēng)浪到達(dá)淺水區(qū)時(shí)，受海水深度變化的影響較大，產(chǎn)生折射。 波面不再完整，而是破裂、翻滾。 此時(shí)，稱為近岸波。 通常將風(fēng)浪、涌浪和近岸波浪結(jié)合起來(lái)。 ，統(tǒng)稱為波。
近岸波浪是指由風(fēng)浪或公海涌浪攜帶到海岸附近并因地形而改變波浪性質(zhì)的波浪。
由風(fēng)的直接作用引起的水面波動(dòng)。 探索風(fēng)浪產(chǎn)生和增長(zhǎng)的機(jī)理是波浪研究中最基本的問題。 將能量輸送到海面的風(fēng)會(huì)引起洋流并引起波動(dòng)。 關(guān)于波動(dòng)如何吸收風(fēng)能并生長(zhǎng)的機(jī)制，目前還沒有統(tǒng)一、明確的結(jié)論。 一般認(rèn)為，風(fēng)對(duì)海面的擾動(dòng)首先引起毛細(xì)波（波紋），為風(fēng)進(jìn)一步向海面輸送能量提供必要的粗糙度。 然后，通過(guò)風(fēng)對(duì)波浪表面的壓力，繼續(xù)為波浪提供能量，使波浪繼續(xù)增長(zhǎng)。 同時(shí)，由于海水的內(nèi)摩擦，能量損失。 當(dāng)波浪到達(dá)淺水區(qū)或岸邊時(shí)，由于海底的摩擦或破碎，所有的能量都消失了，波浪消失了。
風(fēng)浪中同時(shí)出現(xiàn)許多不同高度和長(zhǎng)度的波浪。 波面較陡，波峰附近常有水花或大泡沫。 它們來(lái)來(lái)去去，變化迅速。 乍一看，似乎沒有什么規(guī)律可循。 但如果將波高、波長(zhǎng)和周期視為等量，對(duì)于隨機(jī)量，我們可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)研究風(fēng)和波浪的運(yùn)動(dòng)模式，并根據(jù)風(fēng)計(jì)算出一些特征量，例如平均波高和波高。一些大波浪或各種波浪的平均周期。 這些代表風(fēng)浪強(qiáng)度的特征量由風(fēng)速、風(fēng)區(qū)（風(fēng)區(qū)）長(zhǎng)度或風(fēng)作用時(shí)間（風(fēng)時(shí)）的持續(xù)時(shí)間決定。
在一定風(fēng)速下，風(fēng)浪隨著受風(fēng)面積的擴(kuò)大和風(fēng)持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。 遠(yuǎn)離風(fēng)區(qū)上邊界，風(fēng)浪僅隨時(shí)間增長(zhǎng)，處于過(guò)渡狀態(tài)； 在風(fēng)區(qū)上邊界附近，風(fēng)浪僅隨著距該邊界的距離而增長(zhǎng)，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。 如果風(fēng)速一定，當(dāng)風(fēng)浪增長(zhǎng)到一定大小時(shí)，內(nèi)部消耗的能量和從風(fēng)中吸收的能量就會(huì)達(dá)到平衡。 此時(shí)，即使風(fēng)區(qū)和風(fēng)力不受限制，風(fēng)浪也不再增長(zhǎng)，而是處于充分增長(zhǎng)的狀態(tài)。
涌浪是風(fēng)停止或減弱后留在海面上的波浪，改變了原來(lái)的風(fēng)向。 涌浪是由遠(yuǎn)處的風(fēng)或已經(jīng)過(guò)去的風(fēng)引起的波浪。 “無(wú)風(fēng)三尺浪”指的是洶涌的海浪。
與風(fēng)浪相比，涌浪的形狀更規(guī)則，排列更整齊，波峰線更長(zhǎng)，波面更光滑，更接近正弦波的形狀。 在涌浪傳播過(guò)程中，由于空氣阻力和海水內(nèi)摩擦力的作用，波浪能在涌浪傳播時(shí)分散在越來(lái)越大的區(qū)域，因此隨著傳播距離的增加，單位水柱內(nèi)的波浪能被分散在越來(lái)越大的區(qū)域內(nèi)。隨著表面積的增加，涌浪的能量和波高繼續(xù)減小。 浪涌可以看作是許多不同幅度、不同頻率、不同傳播方向和隨機(jī)初始相位的正弦波分量的疊加。 在浪涌波的傳播過(guò)程中，這些波成分的波能隨著傳播距離的增加而減小。 然而，這些波分量的衰減是有選擇性的。 頻率高的分量波衰減快，頻率小的分量波衰減慢。 隨著傳播距離的增加，高頻成分所占據(jù)的能量比例變得越來(lái)越小。 低頻波成分相對(duì)越來(lái)越占主導(dǎo)地位，因此在傳播過(guò)程中，浪涌的視在周期將不斷增加。 隨著周期的增大，波長(zhǎng)和波速也相應(yīng)增大，而波面的陡度則越來(lái)越小。 另外，由于高頻成分具有使波面粗糙化的作用，在浪涌的傳播過(guò)程中，高頻成分的能量比例減少，這也使得波面更加規(guī)則、光滑。
浪涌傳播的顯著特征是波高逐漸減小，波長(zhǎng)和周期逐漸增大，因而波速變快。 這一方面是由于內(nèi)摩擦而不斷消耗能量造成的，另一方面是傳播過(guò)程中色散和角色散造成的。
如前所述，實(shí)際的海浪可以看作是由許多不同波長(zhǎng)、不同周期和幅度的分波組成的。 這些成分在傳播過(guò)程中，長(zhǎng)波長(zhǎng)的速度快，短波長(zhǎng)的速度慢，所以原來(lái)疊加在一起的波就擴(kuò)散開來(lái)，這種現(xiàn)象稱為色散。
并且由于各個(gè)子波的傳播方向不一致，因此在傳播過(guò)程中向不同方向分散。 這種現(xiàn)象稱為角色散。 正是由于上述原因，波高不斷降低。
由于色散，速度快、波長(zhǎng)長(zhǎng)的波向前傳播。 因此，傳播距離越遠(yuǎn)，長(zhǎng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)周期的浪涌就越占主導(dǎo)地位。 但波高變小，以至于在海上很難看到它。 但當(dāng)波及到淺水區(qū)或近岸時(shí)，波高增大，波長(zhǎng)減小，常以波群的形式出現(xiàn)，形成劇烈的岸波。 ，展現(xiàn)出驚人的能量，是侵蝕海灘的活躍因素之一，對(duì)岸邊的建筑物破壞力很大，但它卻在這里結(jié)束了自己的生命。
由于涌浪移動(dòng)速度很快，它們通常會(huì)在風(fēng)暴系統(tǒng)到來(lái)之前到達(dá)。 如果某個(gè)地方開始觀測(cè)到周期很大但波高很小甚至極難以察覺的波浪到來(lái)，然后周期逐漸變小，波高繼續(xù)增加，則意味著風(fēng)暴可能會(huì)發(fā)生。接近當(dāng)?shù)貐^(qū)域。 因此，人們把這種涌動(dòng)稱為超前涌動(dòng)。 有時(shí)它甚至可能發(fā)生在暴風(fēng)雨到來(lái)前幾天。
涌浪的傳播距離非常驚人。 據(jù)調(diào)查，夏季北太平洋加利福尼亞州西南海岸緩慢但強(qiáng)大的岸浪實(shí)際上是1×10^4公里外的南極大陸附近海洋風(fēng)暴產(chǎn)生的波浪傳播的涌浪。 由波浪引起。
在傳播過(guò)程中，涌浪更準(zhǔn)確地遵循c^2=gλ/2π的關(guān)系，但當(dāng)它傳播到靠近海岸的淺水區(qū)時(shí)，它更接近長(zhǎng)波的性質(zhì)。
除了風(fēng)之外，地震也會(huì)引起地震波。 當(dāng)這些波浪到達(dá)海岸時(shí)，波高迅速增加，形成災(zāi)難性的海嘯。 這樣的海浪咆哮著，給沿海地區(qū)帶來(lái)可怕的災(zāi)難。 事實(shí)上，潮汐波也是一種長(zhǎng)周期重力波，只不過(guò)是潮汐力引起的波。 此外，海洋中還有慣性波，它是地轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)力作為恢復(fù)力而引起的波浪。 還有一種周期較長(zhǎng)的波，是地轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)力隨緯度變化而引起的行星波。 因此，有人說(shuō)，在海洋中，“無(wú)風(fēng)浪也有三尺”。 風(fēng)只是波浪的主要原因之一。 有很多力量可以導(dǎo)致海水振蕩形成波浪。
波浪不輸送海水。 這與潮汐和洋流不同。 當(dāng)波浪由遠(yuǎn)到近或由近到遠(yuǎn)移動(dòng)時(shí)，只有波浪的形狀和能量在那里傳播，但水團(tuán)本身并不移動(dòng)。 只是上下移動(dòng)，給人一種錯(cuò)覺。
當(dāng)海洋中風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，波浪陡度達(dá)到一定值，波浪開始破碎。 當(dāng)波浪到達(dá)淺水時(shí)，由于波長(zhǎng)變短，波高增大，波浪陡度迅速增大，波浪也可能破碎。 由于海底和波峰處的摩擦力，水深較大，因此相速度也較大。 在波谷處，由于水深較小，相速度也較小，導(dǎo)致波面變形。 當(dāng)波峰前的坡度很大時(shí)，會(huì)發(fā)生卷起現(xiàn)象，在岸邊形成波浪并導(dǎo)致其破碎。 有時(shí)，海浪經(jīng)常沖擊海洋中的淺灘、沙洲和礁石區(qū)，稱為溢流。 有經(jīng)驗(yàn)的水手很清楚這種現(xiàn)象。
當(dāng)海浪在海岸附近破裂時(shí)，它們會(huì)將大量的水帶入破裂區(qū)域。 這些海水最終將通過(guò)破碎帶返回海洋，形成所謂的離岸流。 雖然它往往只持續(xù)幾分鐘，涉及的距離也只有破碎區(qū)的2至8倍，但其流速卻相當(dāng)大，有時(shí)達(dá)到1.5m/s以上，海灘上的游泳者都能明顯感覺到。 海岸和海底的形狀影響離岸流的分布。 對(duì)于海底坡度大致相同的直岸來(lái)說(shuō)，形成的離岸流大致等距，如圖6-19所示。 離岸流之間沿著海岸的流動(dòng)稱為沿岸流。 在海角等彎曲的海岸上，波浪會(huì)匯聚，水量會(huì)增加。 它們沿著海角兩側(cè)流向海灣，海灣中部經(jīng)常形成離岸流。 如圖6-20所示。
沿岸流和離岸流在輸送沿海沉積物方面發(fā)揮著重要作用。