Vlny na vodě

Vlnění je vcelku běžný pohyb, který může být více či méně pravidelný. Pomocí vln popisujeme světlo, zvuk nebo pohyb vodní hladiny na moři. Pravidelné vlny se nejčastěji připodobňují matematické funkci sinus – o tvaru vln pak hovoříme jako o sinusoidě.

Každá vlna má nějaký zdroj – může to být horký bod jako zdroj světla, vibrace vytvářející zvuk nebo kámen vhozený na vodní hladinu. Každý takový impuls uvolňuje energii a vlny ji přenášejí dále od původního zdroje. Pohyb jednotlivých vln umožňuje přenos energie díky periodickému pohybu hmoty (prostředí, kde se vlna šíří), vlastní hmota však zůstává stále na svém místě. Oscilace částic hmoty umožňuje předávání energie z jedné částice na druhou a tím šíření energie v prostoru.

Jedním ze způsobů šíření vln je periodický pohyb tam a zpět ve směru šíření vlny (přenosu energie). Tento způsob může probíhat v jakémkoliv skupenství látky a vlny se označují jako podélné. Můžeme si to také představit, že ve směru šíření se látka opakovaně smršťuje a rozpíná. Tímto způsobem se šíří zvuk nebo některé zemětřesné vlny.

Druhým způsobem je oscilace částic ve směru kolmém na šíření vlny (přenos energie) a používáme označení příčné vlnění. Uvažte si lano k pevnému bodu a kmitejte s ním nahoru a dolu. Jednotlivé části lana zůstávají na stejném místě, prostřednictvím vln se přenáší pouze energie, kterou dodala vaše paže. Šíření příčných vln není možné v kapalném prostředí.

Vodní hladina představuje rozhraní kapalného a plynného prostředí, takže kombinací podélného a příčného vlnění vznikají vlny kruhové. Jejich částice oscilují po kruhových drahách a přenášejí energii na rozhraní dvou tekutin různé hustoty.

V ideální vlně se na vodní hladině střídají nejvyšší části – hřeben vlny a nejnižší části – sedla vlny. Vzdálenost mezi vrcholem a sedlem se označuje jako amplituda nebo také výška vlny a polovina této vzdálenosti udává úroveň hladiny, kdyby nedocházelo k jejímu vlnění. Vzdálenost dvou hřebenů vlny (nebo sedel) se označuje jako vlnová délka. Poměr mezi výškou vlny a její vlnovou délkou se označuje jako strmost vlny. Pokud strmost překročí hodnotu 1/7, je vlna příliš strmá a dojde ke zlomení vlny (přepadne dopředu). Pod zlomem se voda promíchává se vzduchem, dojde ke zpěnění, které pak pozorujeme jako bílé „čepičky“ v pobřežním moři.

Nad vodní hladinou je vzduch, který má určitý tlak a teplotu. Pokud se masy vzduchu dají do pohybu, vzniká vítr a ten přenáší část své energie na vodní hladinu. Nejprve vznikají kapilární vlny – drobné kruhové vlny s vlnovou délkou menší, než 1,74 cm. Povrchové napětí vody má tendenci tyto drobné vlnky vyrovnat do vodorovné hladiny. Hladinu s těmito typy vln obvykle označíme jako zčeřenou.

Jak zvolna vlny narůstají, kladou větru větší odpor, takže odebírají mnohem více energie. V momentě, kdy překročí vlnovou délku kapilárních vln, vznikají vlny gravitační – jsou to vlny pravidelného tvaru a povrchové napětí vody zde již nehraje žádnou roli. Větrem předávaná energie postupně zvyšuje jejich výšku, vlnovou délku a rychlost. Jelikož se směr větru na otevřeném moři může měnit, mění se i směr šíření těchto vln. Velikost vln pak závisí na intenzitě větru, délce působení větru v určitém směru a na rozběhu vlny – vzdálenosti, kterou vlna urazí, dokud vítr vane stejným směrem. Takto zvlněná mořská hladina se označuje jako nucené vlnění – vlny vznikají přímým působením větru.

Vlny však nesou značnou energii a šíří se po hladině v určitém směru na velké vzdálenosti. Nejrychleji se šíří vlny s velkou vlnovou délkou, kratší vlny jsou pomalejší. Může se tak snadno stát, že se dostanou do oblasti, kde vítr už na hladinu nepůsobí, přesto se vlny šíří dál. Takové vlnění pak označujeme jako volné.

Na mořské hladině se běžně setkávají vlny různého směru. Jejich vzájemná kolize se odborně označuje jako interference vln. Její výsledek může být velmi různý. Většinou se vlny na některých místech mírně zesílí (jejich výška stoupne) na jiných zase zeslabí (výška klesne). Zcela v krajním případě, když jsou vlny v opačné fázi a hřbet jedné se kryje se sedlem druhé, může dojít k jejich vzájemnému vyrušení.

Velmi nebezpečná může být zejména pro zámořskou lodní dopravu situace, kdy se dvě vlny stejné vlnové délky setkají ve stejné fázi. Dojde ke konstruktivní interferenci, tedy výšky obou vln se vzájemně sečtou a mohou pak vznikat mimořádně vysoké vlny. Měřením byla doložena například vlna o výšce 34 m, což představuje výšku 10 patrové budovy. V takovém případě záleží, jak je loď vůči takové vlně orientována a i velká zaoceánská loď může být snadno potopena.

Na své dovolené se asi nejčastěji setkáte s vlnami, které dorazí k pobřeží. Zde je chování vln trochu jiné a navíc zde vlny „odevzdávají“ energii, kterou doposud přenášely. V závislosti na tvaru pobřeží to může někdy vypadat velmi dramaticky a je pravda, že mořské vlnění intenzivně eroduje a formuje pobřežní pevninu.

Z otevřeného moře směrem k pobřeží klesá hloubka oceánu, v šelfovém moři je to do 200 m a blíže k pobřeží tato hodnota rychle klesá. Pokud je hloubka dna menší než polovina vlnové délky přicházejícího vlnění, začínají se jednotlivé vlny ve své spodní části brzdit. Jakmile se vlna přibrzdí, následující vlna se jí začne přibližovat – tedy zkrátí se jejich vlnová délka a zároveň narůstá její výška. Výsledkem je rychlý narůst strmosti vlny, který vede ke zlomení vlny a v tento okamžik dojde k uvolnění veškeré energie.

Oblasti, kde se toto děje, říkáme příbojová zóna. Uvolňování energie v příboji je činnost soustavná a vytrvalá, množství uvolněné energie je obrovské. Příboj dokáže pohnout i několikatunovými bloky hornin, a jeho tlak, kterým působí na pobřeží, může být až několik tun na metr čtverečný.

Mořské vlnění představuje v celosvětovém měřítku obrovskou zásobárnu energie. Tato energie může škodit, ale i pomáhat. Asi největší nebezpečí pro lidskou populaci přinášejí vlny tsunami. O nich se dozvíte u exponátu „Model tsunami“. Energie vln předávaná pobřeží se v některých oblastech projevuje velmi účinnou a rychlou erozí pevniny, což často vede k destrukci staveb a přilehlé infrastruktury. O skládání vln jsme se již zmínili a vznik vln „banditů“ je obávaný pro lodě všech velikostí. Každá 23. vlna má dvojnásobnou výšku než je průměrná výška ostatních vln, jedna vlna z 1 175 je třikrát vyšší a jedna z tří set tisíc bude čtyřikrát vyšší.

Využití energie vln je omezené, ale běžné. Asi nejznámější je sportovní odvětví surfing, které má na Havajských ostrovech několikaset letou tradici. Surfaři využívají pro pohyb prkna sklon a pohyb vln společně s gravitační silou. Mnohem přínosnější využití je odebírání energie vln pro výrobu elektrické energie. Za vhodných podmínek lze získávat až 10 MW energie na kilometr pobřeží. Příbojové elektrárny fungují na principu stlačování vzduchu v komorách a ten roztáčí elektrický generátor. Pro výrobu většího množství energie je však potřeba instalace velkého množství jednotek, což může negativně ovlivnit živé organismy v příbřežní oblasti. Aby výkon byl co možné největší, je třeba vybrat pro instalaci pobřeží, kde se běžně vyskytují vlny s velkou energií, např. jih Austrálie, jih Jihoamerického kontinentu, jih Afriky nebo západní pobřeží Irska a Francie. Lepší možnosti k výrobě elektřiny dávají přílivové elektrárny, jejich činnost není závislá na vlnění mořské hladiny.