کتاب امواج دریا اثر محمد سعید سیف ناشر فدک ایساتیس

پیشگفتار
 

امواج قدمتی به اندازه پیدایش آب در روی کره خاکی داشته و همچنان که آب را مایه حیات
می‌دانند ، شاید بتوان امواج را نیز نشانه جنب و جوش و اتصال آب به دریای بیکران هستی دانست. آب بی‌تلاطم مردابی بیش نخواهد بود و این حرکت است که آن را از رکود و سکون تبدیل به دریایی سرشار از زندگی و تازگی می‌نماید. در دنیای علم نیز امواج دریا از اولین پدیده‌هایی بود که مورد توجه دانشمندان واقع شده و بسیاری از دانشمندان تلاشهای مستمری برای بررسی و تجریه و تحلیل رفتار آن داشته‌اند. در حال حاضر نیز شناخت دقیق امواج دریا در بسیاری از حوزه های صنعتی و عمران ضروری است. طراحی و ساخت سازه‌های دریایی، کشتی‌سازی و دریانوردی، طراحی و احداث بنادر و بسیاری حوزه‌های دیگر همه متکی به اطلاعات و تجزیه و تحلیل دقیق امواج هستند. بر این اساس در کتاب حاضر سعی شده اصول علمی بررسی امواج در کنار روش‌های بکارگیری آنها بیان و امید است مورد استفاده علاقمندان قرار گیرد.
پیشاپیش از نواقص احتمالی عذر خواسته و انشاالله با تذکر صاحب‌نظران و متخصصین گرامی بتوان آنها را رفع نمود. از اساتید خود و صاحب‌نظرانی که از محضر آنها بهره برده‌ام سپاسگزارم و همه نتایج را مرهون صبوری و حمایت‌های خانواده عزیزم می‌دانم .

محمد سعید سیف

 

مقدمه

يکي از متداول ترين پديده هايي که بر روي سطح آب مشاهده مي شود، پديده موج است. موج را مي‌توان بر روي سطح آب، درياچه ها، رود‏خانه ها، د‏رياها، اقيانوس‌ها و هر جاي ديگر که آب وجود دارد مشاهده کرد.
پديده موج از ديرباز براي بشر شناخته شده بوده است و از زماني که انسان تصميم گرفت بر روي درياها و درياچه ها به قايقراني بپردازد، سعي کرد تا مشخصات موج را بهتر و بيشتر بشناسد. بدين‌ترتيب از همان زمان شروع به ثبت و ضبط ويژگي هاي موج در درياهاي مختلف و در فصول متفاوت نمود، چرا که اين امواج از يک سو مي توانستند به‌عنوان يک نيروي محرکه کمکي براي دريانوردان و کشتيرانان عمل کند و از سوي ديگر مي توانستند باعث درهم شکسته‌شدن کشتي ها و مرگ دريا‌نوردان گردند.
به‌ندرت مي‌توان ديد كه حجمي از آب در معرض اتمسفر واقع شود ولي موجي در سطح آن تشكيل نشود. اين امواج نمادي از نيروهاي اعمال‌شده روي سيال هستند كه منجر به تغيير‌شكل آن در مقابل عملكرد نيروهاي وزن و كشش سطحي مي‌شوند (دو نيرويي كه باعث قرارگرفتن يك سطح سيال به صورت هموار هستند). بنابراين، براي ايجاد امواج نياز به نيروهايي مانند نيروي اعمال شده توسط يك تندباد يا سقوط يك سنگ روي آب مي باشد. با ايجاد امواج، نيروهاي وزن و كشش سطحي فعال شده و باعث پيشروي امواج مي شوند. اين مسئله همانند ايجاد نوسان به علت كشش يك سيم است كه مي تواند باعث توليد يك صداي خوشايند شود.
بنا به اندازه نيروهاي اعمال‌شده روي آب، امواج در همه اندازه ها و شكلها تشكيل مي‌شوند. يك مثال ساده، ايجاد امواج با اندازه هاي مختلف در اثر برخورد يك سنگ كوچك و يا بزرگ با سطح آب مي باشد. بعلاوه، سرعت هاي برخورد مختلف، امواج با اندازه هاي متفاوت ايجاد مي كنند كه نشان‌دهنده و اهميت نيروهاي فشار اعمال شده روي سيال و همچنين مقدار سيال جابه‌جا شده است. جاذبه ماه، خورشيد و ديگر اجرام سماوي، بلندترين نوع امواج آبي شناخته شده يعني امواج جزري‌ومدي را توليد مي كنند. اين امواج نيمي از دور زمين را احاطه كرده و با سرعتهاي زيادي حركت مي كنند. در مقابل، طول موجي كوتاه-ترين امواج مي تواند كمتر از يك سانتيمتر باشد. اندازه طول موج، ايده اي از اندازه نيروهاي اعمال‌شده روي امواج را بدست مي دهد. براي مثال، هر چه موج طولاني تر باشد، اثر ثقل(شامل اثرات زمين، ماه و خورشيد) نسبت به كشش سطحي مهمتر است.
اهميت امواج از بسياري جهات قابل توجه است. هر بنايي كه در كنار يك محيط دريايي يا درون آن است، در معرض تاثير موج قرار دارد. در ساحل، موج مي تواند منجر به حركت رسوب در امتداد ساحل شده و يا باعث فرسايش يا ايجاد خسارت به سازه ها در طي طوفان شود. در محيط دريايي، سكوهاي نفتي ساحلي بايد بدون اينكه خسارت ببينند، بتوانند طوفانهاي سخت را تحمل كنند. براي تأمين اين منظور، در عمق هاي حفاري كنوني كه متجاوز از 300 متر است، نياز به ساخت سازه هاي عظيم و پرهزينه مي باشد. بر روي آب نيز، همه كشتي ها در معرض برخورد امواج هستند و كشتي هاي بي‌شماري در اثر امواجي كه ارتفاع آنها تا 34 متر هم بوده، غرق شده اند. به علاوه، هر كشتي كه در آب حركت مي كند يك ميدان فشار و لذا امواجي را توليد مي كند كه بخش قابل توجهي از مقاومت در برابر حركت كشتي را موجب مي شوند.
اهميت و كاربرد
درياها پيوسته تحت تأثير نيروهاي طبيعي هستند كه در آنها امواج را به وجود مي آورند. به‌طور كلي، مي‌توان امواج دريا را به پنج دسته تقسيم كرد: امواج صوتي، امواج مويينگي، امواج گرانش سطحي، امواج داخلي و امواج سياره‌اي. امواج صوتي بسيار كوچك بوده و ناشي از تراكم‌پذيري آب مي‌باشند. نيروهاي گرانشي وارد بر ذرات آب در سطح دريا (مرز بين آب و هوا) موجب ايجاد امواج سطحي و در مرز بين لايه هاي آب با چگالي هاي متفاوت، موجب ايجاد امواج داخلي مي‌شوند. امواج مويينگي كه داراي ارتفاع كم و بسامد زياد مي باشند، نيز بر اثر اندركنش كشش سطحي و آشفتگي ناشي از باد در مرز بين آب‌وهوا شكل مي‌گيرند. برعكس، امواج سياره اي يا رازبي بسيار بزرگ مقياس بوده و در اثر بر هم‌خوردن تعادل گردابه ناشي از تغييرات عميق يا عرض جغرافيايي بوجود مي‌آيند (Mussel , 1988). تمامي اين امواج مي توانند همزمان در دريا به وجود آيند اما مهمترين آنها براي مهندسين، امواج سطحي (گرانشي) مي‌باشند. اين امواج بيشترين تاثير را بر روي سازه هاي دريايي و ساحلي داشته و از اينرو مهمترين عامل محيطي هستند که بايد در طراحي ها در نظر گرفته شوند. وجود اين امواج باعث مي شود که طراحي سازه ها در دريا کاملاً متفاوت از طراحي آنها در خشکي باشد (Coda , 2000).
از آنجايي‌که امواج يکي از پيچيده ترين و متغيرترين پديده هاي طبيعي مي باشند، فهم کامل خصوصيات و پيش‌بيني آنها کار چندان ساده اي نيست. پيش‌بيني امواج از اين لحاظ لازم است که طراحي ايمن و اقتصادي سازه هاي دريايي و ساحلي مستلزم شناخت و تعيين مشخصات امواج مي‌باشد. مهندسان اين سازه‌ها را براي مقاصد گوناگوني طراحي و اجرا مي کنند. موجشکن ها و اسکله ها در بنادر و لنگرگاه ها به منظور پهلوگيري آرام و مطمئن کشتي ها ساخته مي شوند. ديوارهاي دريايي و آب‌شکنها به منظور حفاظت ساحل به کار برده مي شوند و سکوهاي دريايي براي استخراج منابع نفت و گاز زير درياها به کار برده مي شوند. همه اين سازه ها بايد در محيط دريا و در شرايط توفاني مقاوم بوده و براي اطمينان يافتن از اين موضوع لازم است تا عوامل محيطي كه مهمترين آنها امواج هستند، شناخته شوند(Goda,2000). اين سازه ها بايد بگونه‌اي طراحي شوند كه قابليت تحمل بارهاي وارد ناشي از امواج را داشته باشند. محاسبات لازم براي تعيين بارگذاري سازه‌هاي دريايي شامل اين موارد مي باشد: الف. تعيين اقليم امواج ب. تخمين مشخصات امواج طرح ج. انتخاب تئوري موج مناسب براي تعيين بارهاي هيدروديناميكي وارد بر سازه. در طراحي سازه هاي ساحلي نيز امواج داراي اهميت فوق‌العاده‌اي هستند. امواج با نزديك‌شدن به ساحل مي‌شكنند و انرژي خود را بر روي ساحل مستهلك مي كنند. در مواقع توفاني امواج نيروهاي شديدي بر سازه هاي طبيعي و مصنوعي وارد مي‌كنند. اين امواج همچنين موجب ايجاد جريانهاي ساحلي و در نتيجه انتقال رسوب، فرسايش و رسوب‌گذاري مي‌شوند. اطلاع از مشخصات امواج و رسوبات لازمه انتخاب سازه هاي محافظ ساحل و روشهاي حفاظت سواحل مي‌باشد. براي مثال در طراحي سازه‌اي موج‌شكن‌ها، وزن قطعات آرمور با توان سوم ارتفاع موج طرح رابطه مستقيم دارد و اين بدان معني است كه تنها 10 درصد خطا هر تخمين ارتفاع موج طرح موجب 33 درصد خطا در برآورد وزن قطعات آرمور مي شود.
يك جنبه ديگر اهميت مدلسازي امواج، اثر مستقيم آنها در اندركنش جو- دريا مي باشد. اين امر مي‌تواند تخمين دقيق‌تر شارهاي ناشي از اندر‌كنش هوا- آب را كه نقش مهمي در مدل‌سازي اقليم و كيفيت آب درياها دارد، ممكن سازد.

محمد سعيد سيف

فهرست مطالب

فصل 1 مشخصات آب دريا 1

1.1 خواص عمومي آب دريا 2
1.2 نمکهاي محلول 2
1.3 گازهاي محلول 3
1.4 وزن مخصوص 3
1.5 رنگ و شفافيت 5
1.6 توزيع دما 5
1.7 يخ زدگي 6
1.8 خصوصيات فيزيکي و شيميايي 6
1.9 عمده‌ترين ويژگي‌هاي فيزيکي 7
1.10 درجه شوري 7
1.11 سرعت صوت در آب 9

فصل 2 مباني هيدروديناميک 11

2.1 مقدمه 13
2.2 معادلات حركت اويلر براي سيال غيرويسكوز 13
2.3 معادلات پيوستگي 16
2.4 پتانسيل سرعت 17
2.5 انتگرال معادله حركت اويلر: معادله برنولي 19
2.6 معادله لاپلاس 22
2.7 تابع جريان 22
2.8 جريانهاي ساده 24
1.8.2 جريانهاي يكنواخت 26
2.8.2 چشمه و چاه 26
2.8.3 دو قطبي(DOUBLET OR DIPOLE) 27
2.8.4 چند قطبي(MULTIPLES) 30
2.8.5 جريان حول يك استوانه 31
2.9 ويسکوزيته 32
2.10 نيروي درگ 34
2.11 مشخصات مقاطع خط جرياني 35

فصل 3 امواج منظم 39

3.1 مقدمه 40
3.2 امواج منظم 42
3.2.1 تئوري پتانسيل 44
3.2.2 پتانسيل سرعت 44
3.2.3 شرط پيوستگي و معادله لاپلاس 45
3.2.4 شرايط مرزي بستر دريا 46
3.2.5 شرط مرزي ديناميکي سطح آزاد 47
3.2.6 شرط مرزي سينماتيکي سطح آزاد 49
3.3 سرعت فاز 52
3.4 سينماتيک ذره آب 53
3.4.1 سرعت‌ها 53
3.4.2 جابه‌جايی‌ها 55
3.4.3 خط سير 55
3.4.4 شتاب‌ها 57
3.4.5 فشار 57
3.4.6 انرژي موج 58
3.5 انتقال انرژی يا توان 61
3.6 موج گروهی 62
3.7 سرعت گروهی 65

فصل 4 امواج نامنظم 71

4.1 مقدمه 72
4.1.1 برهم نهي امواج 72
4.1.2 اندازه‌گيري مشخصات امواج 74
4.1.3 تحليل آماري ساده امواج 76
4.1.4 تحليل اطلاعات ثبت شده امواج 79
4.1.5 طيف انرژي امواج 83
4.1.6 طيف استاندارد موج 87
1.4.7 ممان‌های طیفی SPECTRAL MOMENTS 90

فصل 5 امواج غير خطي 95

5.1 مقدمه 96
5.2 امواج استوکس 97
5.3 امواج کنوئيدال(CNOIDAL WAVE) 103
5.4 امواج يكتا (SOLITARY WAVE) 105
5.5 امواج عددي تابع جريان 108
5.6 کاربرد تئوري موج 110
5.6.1 محدوده کاربرد 111

فصل 6 اطلاعات آماري امواج 117

6.1 مقدمه 118
6.2 نمونه‌هاي چشمي 118
6.2.1 کدهاي وضعيت دريا 118
6.2.2 نمونه‌هاي مشاهده شده براي ارتفاع و دوره تناوب امواج 119
6.3 اطلس امواج 121
6.3.1 نمونه‌هاي مشاهده شده 121
6.3.2 هيند کستينگ (HIND CASTING) 123
3.3.6 آمار اندازه‌گيري شده امواج 124
6.4 شرايط دريايي
6.5 اطلاعات باد در بنادر
6.5.1 اطلاعات باد در خليج فارس 131
6.5.2 اطلاعات باد در درياي خزر 135
6.6 اطلاعات جامع امواج در کشور 136
6.6.1 اطلاعات امواج در خليج فارس 136
6.6.2 امواج در درياي خزر 143

فصل 7 امواج بلند 149

7.1 جزرومد 150
7.2 نيرو های توليدکننده جزرومد 151
7.3 چرخه جزرومدی شديد و خفيف 153
7.4 اختلاف روزانه جزرومدی 154
7.4.1 نيروهاي مولد جزرومد 160
7.4.2 تحليل و پيش بيني جزرومد 162
7.5 تسونامي 162
7.5.1 نظريه‌هاي توليد تسونامي 163

فصل 8 تغيير شکل امواج 165

8.1 توليد و نمو موج به وسيله باد 166
8.1.1 مدت وزش باد و طول بادگیر 168
8.2 تأثیر سواحل بر امواج 170
8.2.1 انکسار موج 170
8.3 شکست امواج در آب کم عمق 170
8.4 تفرق موج 172
8.5 انعکاس موج 172

فصل 9 نيروی ناشی از امواج روی سازه‌های فراساحلی 175

9.1 مقدمه 176
9.2 جرم افزوده 177
9.3 معادله موريسون 179
9.4 نيروهای ناشی از تئوری ايری 182
9.5 تئوری فرود-کريلوف 185
9.6 تئوری عمومی 185
9.7 تئوری تفرق 186
9.8 حل تحلیلی نیروی تفرق موج روی پایه استوانه ای بزرگ 191
9.9 حل تحلیلی برای یک استوانه عمودی 193
9.10 محاسن تفرق 196
9.11 نيروهای کوبشی و ضربتی موج 198

فصل 10 تحليل آزمايشگاهي و عددي امواج 203

10.1 موج سازها و انواع آنها 203
10.1.1 موج‌ساز هوايي 203
10.1.2 موج‌ساز پيستوني 205
10.1.3 موج‌ساز لولايي 206
10.1.4 موج‌ساز گوه اي 209
10.1.5 مقايسه انواع موج‌سازها 209
10.2 جاذب‌هاي انرژي از امواج 211
10.3 حوضچه‌هاي آرامش و موج‌شکن‌ها 215
10.3.1 موج‌شکن‌هاي شناور 215
10.3.2 موج‌شکن‌هاي شيبدار سنگي 219

مراجع 225