Định luật Green

Trong động lực học lưu chất, định luật Green mô tả tiến triển của những sóng trọng trường có bề mặt sóng không vỡ truyền trong nước nông có độ sâu và bề ngang thay đổi dần dần. Định luật được đặt theo tên George Green. Ở dạng đơn giản nhất, trong trường hợp mặt sóng và đường bình độ sâu song song nhau (và với bờ biển), nó phát biểu như sau:

  hoặc  

với  và  là chiều cao sóng tại hai vị trí khác nhau – 1 và 2 tương ứng với nơi sóng truyền, và  và  là độ sâu trung bình tại cùng vị trí.

Định luật Green thường dùng trong kỹ thuật công trình biển để lập mô hình các sóng nước nông dài trên bờ biển, với "dài" có nghĩa là bước sóng khoảng hơn hai mươi lần độ sâu trung bình của nước. Sóng thần vào bờ (thay đổi độ cao của chúng) tuân theo định luật này, khi chúng lan truyền – bị tác động bởi khúc xạ và nhiễu xạ – qua đại dương và tràn lên thềm lục địa. Khi ở rất gần (và đã tràn lên) bờ biển, những ảnh hưởng phi tuyến trở thành yếu tố có tính quyết định và định luật Green không còn được áp dụng nữa.

Mô tả

Theo định luật, dựa trên những phương trình nước nông tuyến tính, các biến đổi không gian của chiều cao sóng  (gấp đôi biên độ  đối với sóng sin, bằng biên độ đối với sóng đơn) đối với sóng đang di chuyển trong nước với độ sâu trung bình  và chiều rộng  (trong trường hợp kênh lộ thiên) thỏa mãn:

trong đó  là căn bậc 4 của  Do đó, khi tính cho hai mặt cắt ngang của một kênh lộ thiên, đặt tên là 1 và 2, thì chiều cao sóng trong mặt cắt 2 là:

với các chỉ số 1 và 2 dùng để chỉ cho các giá trị ở mặt cắt tương ứng. Vì thế, khi độ sâu giảm xuống 16 lần, thì sóng cao lên gấp đôi. Và chiều cao sóng tăng gấp đôi khi bề rộng kênh giảm dần 4 lần. Đối với phương truyền sóng vuông góc với đường bờ biển và các đường bình độ sâu song song với đường bờ biển, thì lấy  là một hằng số, có thể 1 mét hoặc yard.

Đối với những sóng dài khúc xạ trong đại dương hoặc gần bờ, bề rộng  có thể được hiểu là khoảng cách giữa các tia sóng. Các tia sóng (và những thay đổi khoảng cách giữa chúng) thỏa mãn từ quy tắc xấp xỉ trong quang hình học cho đến phương truyền sóng tuyến tính. Trong trường hợp các đường bình độ sâu song song và thẳng thì đơn giản hóa bằng việc sử dụng định luật Snell.

Green công bố những kết quả của ông vào năm 1838, dựa trên một phương pháp – phương pháp Liouville–Green – được phát triển thành những gì mà bây giờ gọi là xấp xỉ WKB. Định luật Green cũng đúng với sự bất biến của dòng năng lượng trung bình của sóng ngang đối với những sóng dài:

trong đó  là vận tốc nhóm (bằng vận tốc pha trong sóng nước nông),  là mật độ năng lượng trung bình của sóng được tính theo độ sâu và theo từng đơn vị diện tích ngang,  là gia tốc trọng trường và  là tỷ trọng nước.

Bước sóng và chu kỳ
Hơn nữa, từ phân tích của Green, bước sóng  ngắn dần khi vào vùng nước nông, với:

dọc theo một tia sóng. Tần số của sóng nước nông không thay đổi, theo lý thuyết tuyến tính Green.

Chú thích

Chú giải

Green

Khác

 
 
 
 
 
 
 

Động lực học chất lưu
Sóng nước