Phänomene in Zusammenhang mit Wasserwellen

[Timm]

Hallo allerseits,

kennt jemand dieses Phänomen:

Man steht am Strand, blickt auf die Brandung und bemerkt 3 überdurchschittlich hohe Wellen, die hintereinander hereinrollen. Zufall? Nein, nach 1-2 min kommt erneut ein 3-fach Wellenbündel und das setzt sich erstaunlich regelmäßig fort. Jüngst habe ich das wieder im Golf von Biskaya beobachtet.

Gruß, Timm

[Jogi]

Hi Timm.


Ja, ich kenn' das auch.

Allerdings sind es nicht zwingend immer drei Wellen, es können auch mehr sein.

Am Strand läuft ein komplexes Spiel, das von mehreren Faktoren abhängt:
Wellenlänge und -höhe, Strandprofil (vertikal und horizontal), Wind, Strömung.

Bei einem sehr flachen Strandprofil wird es besonders deutlich, daß eine gewisse Wassermenge mal auflandig, und dann wieder ablandig strömt.
Meist "schieben" mehrere aufeinanderfolgende Wellen soviel Wasser auf den Strand, dass der Wasserspiegel lokal über den Durchschnittswert steigt.
Dieses Wasser drängt dann natürlich auch wieder zurück, denn ankommenden Wellen entgegen.
In dieser Phase brechen sich die Wellen anders, härter, sie werden stärker abgebremst.
Es baut sich dabei auch wiederum ein kleiner Wasserberg auf, der dann, wenn das überschüssige Wasser vom Strand abgelaufen ist, eben genau dorthin drängt.
Und das sind dann die Wellen, die sich nicht so spektakulär brechen, aber dafür zunehmend weiter auf den Strand auflaufen.


Gruß Jogi

[Timm]

Hi Jogi,

ja, Deine Erklärung scheint mir sehr einleuchtend. Vielleicht gibt es auch kleine Küsten- oder Strand bedingte Unterschiede. An unserem Platz an der spanischen Seite der Biskaya sind es ziemlich verläßlich jeweils 3 Wellen.

Wenn ich Deiner Erklärung folge, müßte das Phänomen auf Strandnähe begrenzt sein. Wie wird es ausgelöst? Vielleicht genügt eine zufällig etwas größere Welle, der Aufschaukel-Prozess beginnt und es stellt sich je nach örtlichen Bedingungen bei 3 oder mehr Wellen ein dynamisches Gleichgewicht ein.

Freut mich jedenfalls, daß Du diese Beobachtung auch gemacht hast. Ich habe schon mit etlichen Leuten darüber gesprochen, aber - negativ.

Gruß, Timm

[Jogi]

Hi Timm.

Zitat von Timm

Wenn ich Deiner Erklärung folge, müßte das Phänomen auf Strandnähe begrenzt sein. Wie wird es ausgelöst? Vielleicht genügt eine zufällig etwas größere Welle,

Darüber hab' ich mir auch Gedanken gemacht.
Wellen entstehen durch Wind, weit draußen auf dem Meer.
Dabei passiert m. E. folgendes:
Eine Welle gibt der nächsten und übernächsten ein wenig Windschatten.
Der Wind verstärkt und beschleunigt also diejenigen Wellen, die eh' schon ein bißchen höher sind, die kleineren bekommen weniger Wind ab.
Je nach Strecke, auf der sich die Sache entwickeln kann, werden die kleineren Wellen nach und nach von der großen eingeholt, und "geschluckt".
So könnten die Wellenpakete entstehen, mit kleineren Wellen dazwischen, die eben noch nicht eingeholt wurden oder erst später entstanden sind.


Gruß Jogi

P. S.: Wäre das nicht in der Plauderecke besser aufgehoben?

[Timm]

Zitat von Jogi

P. S.: Wäre das nicht in der Plauderecke besser aufgehoben?

Zustimmung, wie Du siehst, Jogi.

Du scheinst Dich mit Meereswellen gedanklich befasst zu haben. Zu den Killerwellen soll es theoretische Vorstellungen geben. Ich habe aber noch nicht danach gegraben. Weißt Du was darüber?

Gruß, Timm

[Jogi]

Hi Timm.

Zitat von Timm

Du scheinst Dich mit Meereswellen gedanklich befasst zu haben.

Tja, was tut man nicht alles, wenn man faul am Strand rumliegt.

Zu den Killerwellen soll es theoretische Vorstellungen geben.

Hab' ich auch gehört.
Seit da intensiver dran geforscht wird, hat man bemerkt daß die Dinger gar nicht so selten sind.

Draußen, auf offener See überlagern sich Wellen, die in verschiedene Richtungen laufen, punktuell, d. h. es entstehen mehr oder weniger kegelförmige Peaks.
Die können besonders den langen Schiffen gefährlich werden, weil dann der Rumpf an einer Stelle be-, und an allen anderen Stellen entlastet wird.
Die langen Schiffe sind aber so gebaut, dass sie normalerweise mindestens zwei Wellentäler überbrücken und somit an drei Stellen Unterstützung erfahren.
Fällt die Unterstützung vorne und hinten weg, kann der Kahn in der Mitte auseinanderbrechen.

In Küstennähe entstehen Killerwellen, wenn sich mehrere Wellenfronten vereinigen, dann rollt plötzlich wie aus dem Nichts ein Brecher mit der 2- bis 3-fachen Höhe an.
Ich hab' mal ein Interview mit einem Überlebenden gesehen, der war auf einem unsinkbaren Polizeiboot unterwegs.
Das Wetter war schön, die durchschnittliche Wellenhöhe betrug ca. 1m.
Plötzlich wird das Boot seitlich von einem Brecher mit etwa 3m Höhe getroffen.
Es kippt um, Wasser läuft durch das offene Luk ins Innere.
Konstruktionsbedingt richtet sich das Boot zwar wieder auf, aber es hat jetzt erheblich mehr Tiefgang.
Die Welle kam völlig unerwartet, sonst hätte der Skipper den Bug in die Welle drehen können, und es wäre gar nichts passiert.
Übrigens hat man ihm, wie auch vielen anderen zuvor, seine Geschichte nicht so recht geglaubt, is auch schon 'n paar Jahre her.
Inzwischen weiß man, daß es solche Dinger gibt, und soviel ich weiß, wird da auch an einer Möglichkeit zur Vorhersage geforscht, das gestaltet sich aber wohl doch recht schwierig.


Gruß Jogi

[Timm]

Zitat von Jogi

Hab' ich auch gehört.
Seit da intensiver dran geforscht wird, hat man bemerkt daß die Dinger gar nicht so selten sind.

Jetzt bin ich doch fündig geworden, Jogi.

Ich denke, die Veröffentlichung in "Physical Review Letters" bürgt schon für Qualität.

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell...006-09-13.html

Daraus dieses Zitat:

Neues Zwei-Wellen-Modell
Grundlage der Berechnung sind die so genannten Schrödinger-Gleichungen aus der Quantenmechanik, die eigentlich dazu dienen, das wellenartige Verhalten von Elektronen in Atomen zu beschreiben. Die Bochumer Physiker Prof. Padma Kant Shukla, Dr. Ioannis Kourakis und Dr. Bengt Eliasson und ihre schwedischen Kollegen Prof. Mattias Marklund und Prof. Lennart Stenflo wendeten diese Gleichungen auf das Verhalten von Wasser an, dadurch konnten sie eine neue Theorie über ein "Zwei- Wellen-System" entwickeln. Prof. Shukla: "Zwei nicht-lineare, miteinander wechselwirkende Wellen verhalten sich demnach ganz anders als eine einzelne Welle, die normale Instabilitäten zeigt und sich in mehrere kleine Wellen auflöst, die dann linear zueinander verlaufen."

Aus zwei nicht-linearen Wellen resultiere indes ein "neues Verhalten" des Wassers, zum Beispiel die Entstehung regelrechter "Wellenpakete" mit dreimal höheren Amplituden als bei einer einzelnen Welle.

Die gute alte Schrödingergleichung, ein bißchen perplex bin ich da schon, werde den Thread aber nicht zur Quantenmechanik verschieben. Toll wäre es natürlich, wenn dabei auch noch herauskäme, daß die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Schiffen in der Nähe von Killerwellen gegen Null geht.

@ Ihr Alle
Ist es denn so, daß die Schrödingergleichung das Werkzeug dafür ist, wie gehe ich mit einem auf nichtlineares Verhalten beruhendem Wellen-Phänomen um? Gibt es vielleicht weitere Beispiele? In der Akustik?

Gruß, Timm

[JoAx]

Hallo Timm,

Zitat von Timm

Die gute alte Schrödingergleichung, ein bißchen perplex bin ich da schon,
...
Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Schiffen in der Nähe von Killerwellen gegen Null geht.

es gab Mal eine Sendung dazu. Daraus ging hervor, dass es in der Nähe des Horns von Afrika verstärkt (?) zu solchen Phänomenen kommt (denke ich). Da ging es natürlich nicht um 3m Wellen, sondern (oh Wunder) um die "Monsterwellen" (Kaventsman). Ich fürchte, dass man mit der gegen Null gehenden Wahrscheinlichkeit falsch liegen würde. Für Bohrinseln sind sie auch ein Thema.


Gruss, Johann

[Timm]

Zitat von JoAx

Ich fürchte, dass man mit der gegen Null gehenden Wahrscheinlichkeit falsch liegen würde.
Gruss, Johann

Ich auch, Johann, war nicht so ernst gemeint, aber mein Erstaunen über diese Anwendung der Schrödingergleichung schon.

Gruß, Timm

[richy]

Hi Timm

Ist es denn so, daß die Schrödingergleichung das Werkzeug dafür ist, wie gehe ich mit einem auf nichtlineares Verhalten beruhendem Wellen-Phänomen um? Gibt es vielleicht weitere Beispiele? In der Akustik?

Es gibt sehr viele Formen von Wellen. Oberflaechenwellen, Biegewellen, Torsionswellen, Schallwellen, in Festkoerpern, Fluessigkeiten, Gasen ...
Unterschiedlichster Feldkomponenten :
Longitudinal, Transversal ...
Formal hat die Wellengleichung aber immer den selben Charakter. Es ist ein hyperbolisches PDE System. Und in der Realitaet ist es immer nichtlinear.
Wie man mit nichtlinearen Wellen umgeht kann ich dir recht genau beschreiben, denn damit habe ich mich einige Jahre an der Uni beschaeftigt. Naechtelang :-)
Man kann sie z.B.auf dem Digitalrechner simulieren. Dazu benoetigt man erstmal geeignete Ausgangsgleichungen.
Das waeren die Navier Stokes Gleichungen :
Fuer ideale Fluessigkeiten, adiabatische Prozesse vereinfachen sich diese zu den Euler Gleichungen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Navier-Stokes-Gleichungen
Diese beinhaltet neben der Wellenausbreitung noch Stroemunsgvorgaenge, die im akusischen Fall nicht relevant sind. Ueber einen Stoerungsansatz kann man die Euler Gleichungen schliesslich zu den nichtlinearen allgemeinen akustischen Grundgleichungen vereinfachen. (Wobei einfach hier relativ ist)
Ebenso kann man die Zustandsgleichung ueber eine Taylorapproximation oder andere Ansaetze annaehern.
Ich kann dir das verwendete Modell gerne mal schicken.

Dazu benoetigt man nun einen Algorithmus der hochgenau arbeitet (Gruppengeschwindigkeitstreu, geringe numerische Daempfung). Hyperbolische Gleichungen simuliert man sukzessive iterativ. Ungenauigkeiten in jedem Iterationsschritt summieren sich daher auf. Ebenso muss die Integration an nichtlineare Gleichungen angepasst sein. Ob man physikalisch sinnvolle Ergebnisse enthaelt ist z.B.sogar davon abhaengig wie man die Gleichungen rein formal behandelt.
Ich habe damals dieses Verfahren verwendet:
http://www.math.fsu.edu/~tam/Multi-size-mesh%20DRP.pdf
Das ist supergenau und wird auch bei der NASA eingesetzt. Lustig, dass man TAM nun sogar im www findet.
Der Grundgedanke ist recht einfach. Die numerschen Operatoren werden elementar ueber die Mehode der kleinsten Quadrate entworfen und gewuenschte Eigenschaften die man ansonsten ueber einen Fourierentwurf enthaelt mittels der Methode von La Grange beim Entwurf alsNebenbedingung beruecksichtigt. Klingt kompliziert, aber ist recht einfach.
Hier mal der Grundgedanke ohne die La Grange Methode :
http://home.arcor.de/richardon/richy...uss/gindex.htm
Irgendwo auf dem Rechner hab ich noch ein komplettes Entwurfsprogramm fuer beliebige Operationen und Synthesefunktionen mittels diesem wirklich sehr sehr leistungsfaehigen Verfahren von TAM.
Einfachen Algorithmen (Runge Kutta,MacCormick), die keine DRP Eigenschaft aufweisen sind ungeeignet um nichtlineare Wellenausbreitungen zu simulieren. Entweder instabil oder die nichtlinearen Effekte gehen in der Ungenauigkeit voellig unter.

Ich hab damals noch eine kleine Erfindung gemacht, indem ich statt der im Paper verwendeten Grid Adaption das Rechnegitter ueber eine Koordinatentransformation,also praktisch virtuell angepasst habe.
Wenn vor allem Die Stossfront einer nichtlinearen Welle von Interesse ist, kann man mit dieser Koordinatentransformation alleine ueber die modifizierten Gleichungen, also ohne zusaetzlichen rechenorganisatorischen Aufwand in die Welle hineinzoomen.

Dann benoeigt man noch einen superschnellen Rechner mit moeglichst viel Speicher,geeignete Modelle fuer Randbedingungen. Und los gehts :-)
(Wobei jeder aktuelle PC die damaligen High End Workstations an der Uni (0.5 Giga Ram) um Laengen schlaegt. Bis auf das 128 Bit Betriebssystem)

Die Oberflaechenwellen an einem Strand sind natuerlich nichtlinear.
Man sieht hier sehr schoen einen typischen nichtlinearen Effekt. Das Ausbilden einer Stossfront. D.h. die Welle steilt sich auf, da die Gruppengeschwindigkeiten nicht linear zur Frequenz sind.
Und schliesslich bricht die Welle, Loesung zusammen.
Diese nichtlineare Aufsteilung wird auch in Geraeten verwendet mit denen Koerpersteine zertruemmert werden. Das war auch der Bereich in dem ich taetig war. Und fuer die Algorithmen gab es auch mal mathematische Unterstuetzung eines Profs vom Kernforschungszentrum. Die Themen sind also schon verwandt.

Fuer die Beschreibung von "Monsterwellen" kann man unter "Solitonen" einige Informationen finden.
Hier gibt sich auch ein Zusammenhang zu Kettenbruechen.
Genausowenig kann man die Schroedingergleichungen bei komplexeren Systemen analytisch loesen.
Die ganzen Orbitalmodelle sind dann auch nur nurmerische Simulationen. Und hier werden sicherlich aehnliche Verfahren wie in der Akustik mit all ihren Problemen angewendet.
ciao