La Física de las Olas

Os voy a contar algo básico acerca del movimiento ondulatorio y propagacion de ondas en un medio físico, como son las olas en el mar. No rayaros que es fácil de entender (teneis que leerlo todo...jajaja)
Las olas que surfeamos en nuestra playa provienen de altamar donde fueron generadas por los vientos fuertes y sostenidos que soplan durante las tormentas oceánicas. Estas ondas viajan largas millas naúticas y se desplazan alterando el medio físico a su paso, haciendo oscilar las moléculas de agua, quienes describen un movimiento ondulatorio. Mi idea es presentaros básicamente este movimiento y lograr que lo entiendan todos los surfistas que se benefician de él, tengan o no formación científica.

¿Qué es el movimiento ondulatorio?
El movimiento ondulatorio es un fenómeno muy común: se puede observar en el movimiento de ir y venir de un resorte una vez que es alejado de su posición 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 señal producida necesita si o si un medio fisico para poder propagarse, viajar a traves de él y así alcanzar puntos alejados. El sonido se transmite a traves del aire circundante, es decir, un medio físico (no hay ruido en el vacío! no existe un medio de propagación...). 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 físicas producidas en un punto del espacio (punto de generación), que se propagan a traves de éste y se perciben mas tarde en otro punto. Estos son ejemplos de movimiento ondulatorio. Al producir una perturbación del estado físico del medio en un punto, la perturbación puede propagarse en el espacio modificando las condiciones en otros sitios. La perturbación se desplaza alterando las condiciones físicas del medio a su paso : se habla en Física de una onda asociada con la propiedad física que ha sido perturbada.

Características básicas de un movimiento ondulatorio:

Descripción de la Ondulación:
*La posición más alta con respecto a la posición de equilibrio se llama cresta y se mide en metros.
*La posición más baja con respecto a la posición de equilibrio se llama valle.
*El alejamiento de cada partícula con respecto a la posición de equilibrio se llama amplitud de onda y se mide en metros.
*El período es el tiempo transcurrido entre la emisión de dos ondas consecutivas y se mide en segundos.
*Al número 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 Lambda (landa) y se mide en metros.
*Nodo es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.



Cuando llegan olas a tu playa favorita, lo hacen con sus características propias y determinadas en el punto de generación: vientos mas fuertes crearan olas de mayor amplitud, menor frecuencia, mayor período, mayor landa...

Interferencia: Al producirse dos o más movimientos ondulatorios que pasan por el mismo medio en forma simultánea, se produce la interferencia. Si coinciden en crestas y valles y son de igual amplitud, el resultado será un movimiento con la misma longitud de onda, el mismo periodo, pero con amplitud doble. Es decir, el movimiento resultante podrá ser incrementado, disminuido o anulado como los movimientos interfieran entre sí. Esto es importante cuando se reciben varios swells simultaneos desde direcciones diferentes: sus efectos pueden sumarse y aumentar el tamaño de las olas, o pueden compensarse y disminuir su tamaño...

Refracción: Las ondas al viajar se orientan en forma paralela según sus Landas característicos, y forman los denominados Trenes de Ondas. Estos trenes viajan por aguas profundas hasta que se encuentran con obstáculos en su camino: Por ejemplo al llegar a zonas de poca profundidad y chocar con bancos de arena, se produce el fenomeno de Refracción de las ondas: estas desvían su trayectoria original y se orientan paralelas al obstáculo encontrado. Como los bancos de arena suelen ser alargados y paralelos a la costa (debido a las corrientes costeras o rip currents), las olas se desvian e inciden de manera paralela a la playa. Otro caso de refracción es cuando existe una porción de tierra que se mete mar adentro e intercepta directamente al tren de ondas: en este caso las olas `pivotean´ en este obstáculo y toman una nueva dirección. Foto abajo: efecto de refracción debido a una Punta. (es lo que sucede en los point-breaks, por ejemplo en la playa de Yerbabuena. Esta punta recibe la ondulación y la desvía generando las mejores derechas de Andalucía)


El estudio analitico del movimiento ondulatorio y la hidrodinámica 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 Fórmulas:
Formula de Carrier-Greenspan: Nc= 2.pi.H / g.T².ß²
donde H es la altura de la ola, g la aceleracion de la gravedad, T el período de las olas, y ß 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 rompa bien.

Formula de Carrier-Greenspan 2: a = arcsen [1 / ( 2n + 1).tanß]
donde n es un número entero, y ß el mismo factor descriptivo de la forma del fondo marino de la formula anterior, y "a" es el ángulo de incidencia óptimo para que la ola rompiente ofrezca una pared surfeable y no se cierre completamente al romper.

Estas fórmulas fueron desarrolladas en los años 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. Las moléculas de agua experimentan un movimiento circular con el paso de la onda, volviendo al mismo punto de partida una vez que la onda pasó por dicho lugar. El diámetro de la circunferencia descrita por las moléculas disminuye exponencialmente con la profundidad.

El movimiento de la onda se caracteriza por su velocidad de avance, y por la velocidad de avance del tren de ondas al que pertenece. La velocidad de esta onda está dada por : (para una profundidad h) v²=(g/k).tanh(k.h) , donde k=2.pi/landa, g es la aceleración de la gravedad, y landa es la longitud de onda. A su vez, la longitud de onda es la distancia de separación 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 obstáculos que permiten esta refracción.

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 está determinada por la dirección del tren de ondas incidente (el swell) y por la forma del fondo marino costero. Empiricamente se llegó 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 romperá 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 enérgicas remadas.

Analicemos el Diagrama de Cuerpo Libre de arriba: sea tita el ángulo 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 aceleración es F.sen(tita). Y sobre el eje X obtenemos F.cos(tita)=m.g , donde m es la masa del sistema surfista+tabla.