I en ny studie om havsvågsbrytning har forskare visat att brytningsbeteendet hos axisymmetriska "spikvågor" skiljer sig helt från de sedan länge etablerade teorierna om brytandet av resande vågor.

Vandringsvågor bryter när vågorna blir så branta att krönet inte längre är stabilt. Detta leder till en nedbrytning av vågrörelser och energiförlust. Som ett resultat begränsas vågens höjd av brytningsprocessen.

"Mycket av vår förståelse av vågbrytning är kopplad till teorier som utvecklats och experiment som utförs i två dimensioner när vågor rör sig i en riktning", förklarade huvudförfattaren Dr Mark McAllister, Institutionen för ingenjörsvetenskap, University of Oxford. "Men, vågbrytning i havet är en tredimensionell process."

För att fastställa skillnaderna mellan vågbrott i två dimensioner och tre dimensioner använde forskare den cirkulära vågtanken vid FloWave Ocean Energy Research vid University of Edinburgh för att reproducera en extrem tredimensionell axisymmetrisk våg, spikvågen.

Resultat från vågtanken visade att det axisymmetriska vågbrytningsbeteendet skilde sig mycket från vågbrottet i samband med vandringsvågor.

När vågorna bildades utbröt en stor vertikal vattenstråle från vågtoppen innan den gick i fritt fall och kolliderade med vattenytan nedanför.

Experimenten visade att, till skillnad från vandringsvågor, var topphöjden på spetsvågen inte begränsad av början av brytningen utan av strålens stabilitet.

Dr McAllister sa:"Denna studie har avslöjat de grundläggande mekanismerna genom vilka vågor som sprids och korsar sig i hög riktning kan bli mycket större än andra vågor och accelerera uppåt mycket snabbare än gravitationen under en kort bråkdel av tiden."

Den nya forskningen på tre storleksordningar större än tidigare experiment avslöjar betydande konsekvenser för sjösäkerheten. Som professor Ton van den Bremer, ingenjörsvetenskap, University of Oxford och Delft University of Technology förklarar, "Spikvågen är ett idealiserat exempel på en typ av beteende som gör att så kallade korsande hav, där vågsystem färdas i olika riktningar, så farligt för sjöfart och offshorestrukturer."

Att förstå dynamiken i spikvågen kan i slutändan leda till framsteg inom sjösäkerhet baserat på förbättrade data om våghöjdsbegränsningar och brottbeteende under extrema förhållanden.

Studien som genomförts i samarbete med forskare från University of Edinburgh, University of Manchester, Shanghai Jiao Tong University och Delft University of Technology är en del av en storskalig undersökning av korsande hav som kan producera extrema tredimensionella vågor.

"Vågbrytning och jetbildning på axisymmetriska yttyngdkraftsvågor," publiceras i Journal of Fluid Mechanics . + Utforska vidare

Ingenjörer använder artificiell intelligens för att fånga komplexiteten hos brytande vågor