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28 de mayo de 2021 | por: José Gutiérrez | 0 comentarios

¿Cómo pronosticar un oleaje para surfear? La visión científica del oleaje

¿Cómo se generan las olas en la naturaleza?

La mayoría de las grandes olas en la superficie del océano son generadas por el viento de las tormentas que actúa sobre la superficie del mar.

El oleaje consiste en ondas generadas sobre la superficie del mar cuyo origen es el viento y que tienen períodos que van entre 1 y 30 s (Conocidas como ondas de gravedad).

Sobre una superficie de agua en calma, pequeñas fluctuaciones en la presión atmosférica, asociadas con la turbulencia del aire sobre el agua, provocan pequeñas perturbaciones sobre la superficie del mar.

Este fenómeno genera ondas capilares, de manera que estas ondas tienen un crecimiento lineal al moverse en resonancia con las fluctuaciones de presión.

Es decir, para estudiar la generación y el crecimiento del oleaje es imprescindible conocer bien el viento que actúa sobre la superficie del mar.

Esquema de generación del oleaje

Las ondas capilares crecen hasta alcanzar un tamaño que interfiere en el flujo de aire que hay sobre la superficie del mar.

El viento empuja y arrastra las olas, transfiriendo energía y momento a la superficie del mar y haciendo que el oleaje crezca.  A su vez, la fuerza con la que el viento afecta al oleaje es mayor cuanto mayor es éste, por lo que el crecimiento, en esta fase, es exponencial.

La ciencia detrás de las olas

Esquema general del oleaje

Estas olas consisten en una mezcla de oleaje con olas de diferentes tamaños que se transportan desde el área bajo la tormenta (área de generación).

Dicho crecimiento del oleaje depende del tiempo durante el que sople el viento y de la superficie del océano sobre la que esté soplando. Usualmente se emplea el término Fetch para definir esta combinación de tiempo y espacio.

El término Fetch se define como la distancia que sopla el viento sobre el mar abierto. En términos simples, si tenemos un gran alcance, una larga duración y vientos fuertes, habrá olas grandes y de largo período.

El viento con velocidades superiores a 7 u 8 m/s, al chocar con la cresta de las olas, hace que estas se rompan y que aparezca espuma en la parte superior de las mismas. Esta rotura hace que se pierda parte de la energía.

El oleaje en formación se llama mar de viento. Este oleaje se lo conoce como “Sea” (Mar de viento), y pueden empujar las ondas más allá de los límites de una tormenta, debido a que la velocidad de propagación de las olas es más rápida que el movimiento de la tormenta en sí.

 La longitud de onda es la distancia entre ondas y, por lo general, las ondas de mayor tamaño viajan más rápido debido a sus longitudes de onda más largas.

A medida que olas de diferentes tamaños se alejan del área de la tormenta, éstas se dispersarán a diferentes velocidades.

Las condiciones del océano y de las olas difieren dramáticamente tanto en las distancias como en los días.

Sin embargo, las ondas con longitudes de onda iguales, pueden espaciarse casi uniformemente a lo largo de las distancias. Estas olas se conocen comúnmente como “swells” (Mar de Fondo).

Esquema general del frente de oleaje.

Las “swells” son olas son más largas y rápidas y, por otro lado, se adelantan a sus contrapartes más pequeñas, dejando olas más cortas y lentas que se transportan desde el centro de una tormenta hacia la costa.

 Para entender por qué existen diferentes ondas y que se mueven a diferentes velocidades, necesitamos saber que la velocidad de la onda es una función tanto de la longitud de onda como del período de ésta, y está relacionada con la velocidad del viento donde se forman las ondas.

El período de onda está dictado por el período de tiempo que pasa entre las ondas y está directamente relacionado con la velocidad a la que viaja la onda.

Por su parte, la velocidad de la onda se determina dividiendo la longitud de onda (L) por el período de onda (T).

Simulación del Movimiento y trayectoria de una partícula de agua.

Si el período de la ola es más largo, dicha ola, es más rápida y poderosa.  Además, cuanto mayor es el período, por lo general, más alta rompe la ola cuando llega a la costa.

Esto se debe al hecho de que un oleaje de período más largo impacta el agua mucho más profundamente en el océano que un oleaje de período corto.

Los principales factores que afectan a las características de las olas son: la velocidad del viento, la duración de la tormenta y su alcance.

Comparación de la longitud de onda con la velocidad de onda y el período de onda.

Además, las ondas que se han dispersado de su área de generación se separan de acuerdo con sus velocidades y longitudes de onda (llamadas ondas de oleaje). La dirección del oleaje (frente de oleaje), es la dirección desde la que viene el oleaje y se mide en grados.

Visualización de oleajes

En la imagen siguiente se puede observar una simulación de 24 hs para la generación del oleaje producido por una tormenta en el Pacífico.

Altura significativa de las olas de oleaje primarias y las principales velocidades del viento sobre el Océano Pacífico Occidental.

En la animación de la imagen anterior, donde el tifón Yutu se prepara sobre el océano Pacífico occidental, podemos ver una formación de oleaje similar.  Las principales velocidades de viento que se muestran en la animación muestran la velocidad y dirección del viento.

Los valores anteriores están obtenidos por NOAA, proveniente de un conjunto de datos “Wave Watch III”, mediante la “API de Planet OS”.

La razón por la que no hay valores significativos de altura de oleaje en medio del tifón se debe a las incertidumbres variables de la gran tormenta con sus patrones de viento y olas caóticos y desordenados.

Una vez que las olas comienzan a alejarse del ojo de la tormenta, también se observan los valores de oleaje que las acompañan.

En esta animación, podemos ver con más precisión cómo las ondas con diferente altura se separan por la velocidad de propagación de las ondas.

Además, estas mismas olas que se forman dentro del tifón llegan a la costa de Japón sólo unos días después, cruzando una distancia de más de 1200 millas (2000 km).

Pero, en particular, para el ejemplo planteado el tifón no es la única fuerza que genera olas, también se está gestando otra tormenta más pequeña cerca de Japón que produce un pequeño oleaje adicional.

La velocidad de las olas

En la siguiente animación mostramos el período medio de las olas de oleaje primario durante el mismo período de tiempo.

La transición del comportamiento de aguas profundas a aguas poco profundas para las olas entrantes comienza cuando los movimientos orbitales “sienten” el fondo, aproximadamente donde h = 1/2 L.

A continuación, podemos ver cómo los períodos más largos llegan a la orilla más rápido que las olas con períodos más cortos. A medida que las ondas aumentan de tamaño, los colores que las acompañan aumentan de brillo.

El movimiento de la onda se caracteriza por su velocidad de avance, y en especial por la velocidad de avance del tren de ondas al que pertenece.

La velocidad de esta onda está dada por la siguiente fórmula (referente a una profundidad h): v²=(g/k)*tanh (k.h), donde :

  • k=2.pi/landa,
  • g= aceleración de la gravedad,
  • landa= longitud de onda.

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.

Los círculos y elipses con tamaño decreciente hacia abajo están destinados a representar movimientos orbitales de onda.

En conclusión

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 (asomeramiento), se refractan y orientan en forma cada vez más paralela a la orilla.

Los largos bancos de arena o arrecifes de roca o coral son los obstáculos que permiten esta refracción.

Los surfistas cuando quieren remontar una ola con la tabla, saben que la zona próxima a la costa donde las olas se levantan, colapsan y se rompen es la zona más idónea 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.

Existen varias teorías empíricas que concluyen en 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 teóricamente cuando pase por un lugar cuya profundidad sea 8 pies o menos. (6×1.3= 6 + 0.3×6= 6+2= 8).

Para poder surfear una ola, el surfista debe impulsarse y alcanzar la velocidad que trae dicha ola. Esto se logra con la energía que transmite la ola.

Esquema de fuerzas en el surfista.

Elementos de Enriquecimiento:

Enlaces: https://youtu.be/3yNoy4H2Z-o

Autor: Luciano Sanz Yavarone, docente del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Puertos, Costas y Obras Marítimas Especiales de EADIC.

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