FISICA DE LAS OLAS

En esta seccion de 3 Quillas les vamos a contar algo basico acerca del movimiento ondulatorio y propagacion de ondas en un medio fisico, como ser las olas en el mar. Las olas que surfeamos en nuestra playa favorita provienen de altamar donde fueron generadas por los vientos fuertes y sostenidos que soplan durante las tormentas oceanicas. Estas ondas viajan largas millas nauticas y se desplazan alterando el medio fisico a su paso, haciendo oscilar las moleculas de agua, quienes describen un movimiento ondulatorio. Nuestra idea es presentar basicamente este movimiento y lograr que lo entiendan todos los surfistas que se benefician de l, tengan o no formacion cientifica. Para complementar esta seccion les recomendamos leer tambien Olas y Pronosticos.

Qu es el movimiento ondulatorio?
El movimiento ondulatorio es un fenomeno muy comun: se puede observar en el movimiento de ir y venir de un resorte una vez que es alejado de su posicion de equilibrio, el movimiento transversal a lo largo de una cuerda tensa cuando es agitada desde un extremo, o lo que nos interesa a nosotros, las olas en la superficie del agua. Ondas : cuando hablamos en voz alta, tocamos una campana o instrumento musical, se produce un sonido que se escucha en puntos alejados. La seal producida necesita si o si un medio fisico para poder propagarse, viajar a traves de l y asi alcanzar puntos alejados. El sonido se transmite a traves del aire circundante, es decir, un medio fisico (no hay ruido en el vaco! no existe un medio de propagacion...). Si estamos en la playa y a lo lejos pasa una lancha, observamos que en algun momento la estela que produjo la lancha llega a la orilla. En todos estos casos se observan situaciones fisicas producidas en un punto del espacio (punto de generacion), que se propagan a traves de ste y se perciben mas tarde en otro punto. Estos son ejemplos de movimiento ondulatorio. Al producir una perturbacion del estado fisico del medio en un punto, la perturbacion puede propagarse en el espacio modificando las condiciones en otros sitios. La perturbacion se desplaza alterando las condiciones fisicas del medio a su paso : se habla en Fisica de una onda asociada con la propiedad fisica que ha sido perturbada.

Caracteristicas basicas de un movimiento ondulatorio:

Descripcion de la Ondulacion: *La posicin ms alta con respecto a la posicin de equilibrio se llama cresta y se mide en metros. *La posicin ms baja con respecto a la posicin de equilibrio se llama valle. *El alejamiento de cada partcula con respecto a la posicin de equilibrio se llama amplitud de onda y se mide en metros. *El periodo es el tiempo transcurrido entre la emisin de dos ondas consecutivas y se mide en segundos. *Al nmero de ondas emitidas en cada segundo se le denomina frecuencia y se mide en Hertz. *La distancia que hay entre cresta y cresta, o valle y valle se llama longitud de onda Landa y se mide en metros. *Nodo es el punto donde la onda cruza la lnea de equilibrio.

Cuando llegan olas a tu playa favorita, lo hacen con sus caracteristicas propias y determinadas en el punto de generacion: vientos mas fuertes crearan olas de mayor amplitud, menor frecuencia, mayor periodo, mayor landa... Interferencia: Al producirse dos o ms movimientos ondulatorios que pasan por el mismo medio en forma simultnea, se produce la interferencia. Si coinciden en crestas y valles y son de igual amplitud, el resultado ser un movimiento con la misma longitud de onda, el mismo periodo, pero con amplitud doble. Es decir, el movimiento resultante podr ser incrementado, disminuido o anulado como los movimientos interfieran entre s. Esto es importante cuando se reciben varios swells simultaneos desde direcciones diferentes: sus efectos pueden sumarse y aumentar el tamao de las olas, o pueden compensarse y disminuir su tamao... Refraccion: Las ondas al viajar se orientan en forma paralela segun sus Landas caracteristicos, y forman los denominados Trenes de Ondas. Estos trenes viajan por aguas profundas hasta que se encuentran con obstaculos en su camino: Por ejemplo al llegar a zonas de poca profundidad y chocar con bancos de arena, se produce el fenomeno de Refraccion de las ondas: estas desvian su trayectoria original y se orientan paralelas al obstaculo encontrado. Como los bancos de arena suelen ser alargados y paralelos a la costa (debido a las corrientes costeras), las olas se desvian e inciden de manera paralela a la playa. Otro caso de refraccion es cuando existe una porcion de tierra que se mete mar adentro e intercepta directamente al tren de ondas: en este caso las olas `pivotean en este obstaculo y toman una nueva direccion. Foto abajo: efecto de refraccion debido a una Punta. (es lo que sucede en los point-breaks, por ejemplo en el antiguo y extraado Cabo Corrientes en Mar del Plata, Argentina. Esta punta recibia la ondulacion del sudeste (la de mayor amplitud en la region) y la desviaba generando las mejores derechas de Argentina. Hasta que a alguien se le ocurrio construir una escollera y cerrar la playa, eliminar el efecto de la punta y la refraccion, y por lo tanto, eliminar una ola de excelente calidad..

El estudio analitico del movimiento ondulatorio y la hidrodinamica de olas rompiendo es un problema altamente no-linear y por lo tanto complejo de estudiar. Sin embargo se ha llegado a modelos simplificados en los que se pueden entender los conceptos basicos.

Algo de Formulas:
Formula de Carrier-Greenspan: Nc= 2.pi.H / g.T. donde H es la altura de la ola, g la aceleracion de la gravedad, T el periodo de las olas, y un factor que describe el fondo del mar y su morfologia (tabulado). El numero de Carrier-Greenspan (Nc) debe valer entre 0.09 y 4.8 para asegurar que la ola tenga un buen rompimiento. Formula de Carrier-Greenspan 2: a = arcsen [1 / ( 2n + 1).tan] donde n es un numero entero, y el mismo factor descriptivo de la forma del fondo marino de la formula anterior, y ''a'' es el angulo de incidencia optimo para que la ola rompiente ofrezca una pared surfeable y no se cierre comlpetamente al romper. Estas formulas fueron desarrolladas en los aos 1950 y 1960 por Ingenieros Costeros del Centro de Estudios Costeros del Scripps Institution of Oceanography de La Jolla, San Diego, California. USA.

Olas en aguas profundas y en aguas poco profundas.

En las aguas profundas de altamar se forman las ondas debido a los fuertes vientos que alli soplan (ver Olas y Pronosticos). Las moleculas de agua experimentan un movimiento circular con el paso de la onda, volviendo al mismo punto de partida una vez que la onda pas por dicho lugar. El diametro de la circunferencia descripta por las moleculas disminuye exponencialmente con la profundidad. El movimiento de la onda se cracteriza por su velocidad de avance, y por la velocidad de avance del tren de ondas al que pertenece. La velocidad de esta onda est dada por : (para una profundidad h)v=(g/k).tanh(k.h) , donde k=2.pi/landa, g es la aceleracion de la gravedad, y landa es la longitud de onda. A su vez, la longitud de onda es la distancia de separacion entre 2 ondas consecutivas pertenecientes a un mismo tren de ondas. Por otro lado, se define como olas de aguas profundas a aquellas que cumplen con h/landa mayor a 0.5, y olas de aguas poco profundas a las que cumplen con h/landa menor a 0.005. Claramente la velocidad de las olas no puede superar a la velocidad del viento que las genera. En el caso de las fuertes tormentas de altamar puede alcanzar velocidades de hasta 160 Km/h. Cuando las olas avanzan sobre aguas cada vez menos profundas en su camino hacia la playa, su velocidad decrece, se refractan y orientan en forma cada vez mas paralela a la orilla. Los largos bancos de arena o arrecifes de roca o coral son los obstaculos que permiten esta refraccion.

Remontar una ola con la tabla.

La zona de la costa marina donde las olas se levantan, colapsan y rompen es la zona donde se puede surfear. Esta zona est determinada por la direccion del tren de ondas incidente (el swell) y por la forma del fondo marino costero. Empiricamente se lleg a que una ola rompe cuando la profundidad del agua es cercana a 1,3 veces la altura de la ola (su amplitud). Por ejemplo, una ola de 6 pies romper teoricamente cuando pase por un lugar cuya profundidad sea 8 pies o menos. (6x1.3= 6 + 0.3x6= 6+2= 8) Para poder agarrar una ola, el surfista debe impulsarse y alcanzar la velocidad que trae dicha ola. Esto se logra con energicas remadas. Analicemos el Diagrama de Cuerpo Libre de arriba: sea tita el angulo entre la horizontal y la cara de la ola en su punto medio, F la fuerza normal a la superficie del agua ejercida por el mar sobre la tabla, entonces proyectando la fuerza F sobre el eje Y obtenemos que la componente de la aceleracion es F.sen(tita). Y sobre el eje X obtenemos F.cos(tita)=m.g , donde m es la masa del sistema surfista+tabla. Olas Gigantes: Detectan olas gigantes capaces de hundir barcos (El texto de aqui abajo fue publicado en www.infobae.com el 26/7/2004 y nos fue enviado por Gustavo via e-mail.) El descubrimiento lo hizo la Agencia Espacial Europea (AEE). Las grandes masas de agua fueron consideradas como una leyenda y pueden elevarse hasta 30 metros de altura. En 1995, el Queen Elizabeth II casi se hundi al ser azotado por una ola de 27 metros durante un huracn. El capitn del barco seal que pareca un "gran muro de agua" Se las consideraba un mito marino: olas de hasta diez pisos de altura que pueden hundir navos. Ahora, se ha descubierto que verdaderamente existen. Los resultados de la nave espacial ERS de la ESA han ayudado a determinar que estas olas gigantes existen en realidad, y ahora se utilizan para estudiar sus orgenes. Durante las pasadas dos dcadas, las tormentas han hundido ms de 200 superpetroleros y barcos de contenedores de ms de 200 metros de eslora. Se cree que las olas gigantes han sido la causa principal en muchos de esos casos. Los marineros que han sobrevivido a tales encuentros cuentan historias notables. En febrero de 1995 el trasatlntico Queen Elizabeth II se encontr con una ola gigante de 29 metros de alto durante un huracn en el Atlntico Norte, a la que el capitn Ronald Warwick describi como "una inmensa muralla de agua pareca como si nos abalanzramos hacia los acantilados, los White Cliffs, de Dover". Y en la semana entre febrero y marzo de 2001, a dos robustos cruceros tursticos el Bremen y el Caledonian Star olas gigantes de 30 metros les destrozaron las ventanas

del puente en el Atlntico Sur. El primero qued a la deriva sin navegacin ni propulsin durante dos horas. "Los incidentes se produjeron a menos de mil kilmetros de distancia entre s", dijo Wolfgang Rosenthal Cientfico Senior del centro de investigaciones GKSS Forschungszentrum GmbH, con sede en Geesthacht, Alemania quien ha estudiado las olas gigantes durante aos. "Toda la electrnica fue apagada en el Bremen mientras ste derivaba en paralelo a las olas, y hasta que la encendieron nuevamente, la tripulacin pensaba que ese podra haber sido su ltimo da de vida. "El mismo fenmeno podra haber hundido navos menos afortunados: en promedio, dos grandes barcos se hunden por semana, pero la causa nunca se estudia con el mismo detenimiento que un desastre areo. Sencillamente se lo atribuye al mal tiempo". El fenmeno ha afectado tambin a las plataformas de alta mar: el 1 de enero de 1995 la plataforma petrolera Draupner en el Mar del Norte fue alcanzada por una ola que meda, segn un dispositivo lser de a bordo, 26 metros, y las olas mayores a su alrededor eran de hasta 12 metros. Exhaustivo anlisis Pruebas objetivas logradas por radar en esta y otras plataformas los datos de radar de la plataforma petrolfera Goma del Mar del Norte registraron 466 olas gigantescas en 12 aos ayudaron a convencer a cientficos anteriormente escpticos, cuyas estadsticas mostraban que desviaciones tan notables del estado del mar circundante debieran producirse solamente una vez cada 10.000 aos. El hecho de que las olas gigantes en realidad se producen con relativa frecuencia tiene importantes implicaciones econmicas y de seguridad, dado que los barcos y plataformas actuales estn construidos para soportar olas con una altura mxima de solamente 15 metros. En diciembre de 2000, la Unin Europea inici un proyecto cientfico llamado MaxWave para confirmar la frecuencia y localizacin de olas gigantes, modelar cmo se producen y considerar sus implicaciones para los criterios de diseo de barcos y plataformas petrolferas. Y como parte de MaxWave, los datos de los satlites de radar ERS de la ESA fueron los primeros utilizados para efectuar un censo mundial de olas gigantes. "Sin cobertura area de sensores de radar no tenamos posibilidades de encontrar nada", aadi Rosenthal, quien encabez el proyecto de tres aos MaxWave. "Todo lo que tenamos para avanzar era los datos de radar recogidos de plataformas petroleras. As que estbamos interesados en usar ERS desde el principio." Los dos satlites gemelos de ESA, ERS 1 y 2 lanzados en julio de 1991 y abril de 1995 respectivamente tienen ambos un radar de apertura sinttica (SAR, por sus siglas en ingls) como instrumento principal. El SAR trabaja en varias modalidades distintas; mientras est sobre el ocano trabaja en modo de ola, adquiriendo "pequeas imgenes" (imagettes) de 10 por 5 km de la superficie del mar cada 200 km. Estas pequeas imgenes son luego transformadas matemticamente en desgloses promediados de la energa y direccin de las olas, llamados espectros de olas

ocenicas. ESA pone estos espectros a disposicin del pblico; les sirven a los centros meteorolgicos para mejorar la precisin de sus modelos de pronsticos martimos. "No se distribuyen las pequeas imgenes en bruto, pero con su resolucin de diez metros nosotros creamos que contenan una riqueza de informacin til por s mismas", dijo Rosenthal. "Los espectros de olas ocenicas ofrecen promedios del estado martimo, pero las pequeas imgenes muestran las alturas individuales de las olas, incluyendo los extremos en que estbamos interesados. "ESA nos suministr datos de tres semanas alrededor de 30.000 pequeas imgenes separadas seleccionadas alrededor de la fecha en que fueron alcanzados el Bremen y el Caledonian Star. Las imgenes fueron procesadas y se las someti a una bsqueda automtica de olas extremas en el Centro Aeroespacial Alemn (DLR)". Ms de las que se cree A pesar del tiempo relativamente breve que cubran los datos, el equipo MaxWave identific ms de diez olas individuales gigantes en todo el globo, superiores a los 25 metros de altura. "Tras haber probado su existencia, en mayor nmero de lo que nadie esperaba, el siguiente paso es analizar si pueden ser pronosticadas", aadi Rosenthal. "MaxWave termin formalmente al final del ao pasado aunque actualmente hay dos lneas de trabajo que se derivan de l: uno es mejorar el diseo de buques, comprendiendo cmo se hunden stos, y la otra es examinar ms datos satelitales con vistas a analizar si es posible realizar pronsticos". Un nuevo proyecto de investigacin llamado WaveAtlas utilizar dos aos de imagettes de ERS para crear un atlas mundial de olas gigantes y efectuar anlisis estadsticos. La investigadora principal es Susanne Lehner, profesora adjunta de la Divisin de Fsica Marina Aplicada de la Universidad de Miami, quien tambin trabaj en MaxWave mientras estaba en DLR, y Rosenthal ser un co-investigador del proyecto. "Examinar las pequeas imgenes da una sensacin como de volar, porque uno sigue el estado del mar bajo el curso del satlite", dijo Lehner. "Tambin se ven en ellas otras cosas como desprendimientos de hielo, manchas de petrleo y hasta barcos, y por eso hay inters en usarlas para otras reas de estudio. "Slo los satlites de radar pueden ofrecer datos verdaderamente globales para el anlisis estadstico del ocanos, porque pueden ver a travs de las nubes y de la oscuridad, a diferencia de sus contrapartes pticas. En tiempo tormentoso, las imgenes de radar son, por lo tanto, la nica informacin pertinente disponible". Dnde nacen Ya se han encontrado algunos patrones. Las olas gigantes suelen estar vinculadas con sitios donde las olas comunes se encuentran con corrientes y remolinos ocenicos. La fuerza de la corriente concentra la energa de la ola, formando olas mayores; Lehner la compara a una lente ptica, que concentra la energa lumnica en un rea pequea. Esto es especialmente cierto en el caso de la notablemente peligrosa corriente de Agulhas, en la costa oriental de Sudfrica, pero tambin pueden encontrarse olas gigantes vinculadas a otras corrientes como la Corriente del Golfo en el Atlntico Norte, en interaccin con las olas que bajan del mar de Labrador.

Sin embargo, la informacin muestra que las olas gigantes tambin pueden producirse lejos de las corrientes, a menudo en la vecindad de frentes atmosfricos de alta o baja presin. Los vientos sostenidos de tormentas prolongadas, de ms de 12 horas pueden amplificar las olas que se mueven a una velocidad ptima en sincronismo con el viento: si van demasiado rpidamente se adelantan a la tormenta y se disipan; si van demasiado lentamente, se quedan retrasadas. "Conocemos algunas de las razones para las olas gigantes, pero no las sabemos todas", concluy Rosenthal. El proyecto WaveAtlas est programado para continuar hasta el primer trimestre de 2005.