miniatura|Ona de gravetat superficial, trencant-se en una platja oceànica a Tučepi, Croàcia En dinàmica de fluids, les ones gravitacionals són ones en un medi fluid o a la interfície entre dos medis quan la força de la gravetat o la flotabilitat intenta restaurar l'equilibri. Un exemple d'aquesta interfície és la que hi ha entre l'atmosfera i l'oceà, que dóna lloc a les ones de vent.

Una ona gravitatòria es produeix quan el fluid es desplaça d'una posició d'equilibri. La restauració del fluid a l'equilibri produirà un moviment del fluid d'anada i tornada, anomenat òrbita d'ona. Les ones gravitatòries en una interfície aire-mar de l'oceà s'anomenen ones gravitatòries superficials (un tipus d'ona superficial), mentre que les ones gravitatòries que es troben within del cos d'aigua (com ara entre parts de diferents densitats) s'anomenen ones internes. Les ones generades pel vent a la superfície de l'aigua són exemples d'ones gravitatòries, com també ho són els tsunamis, les marees oceàniques i les esteles dels vaixells de superfície.

El període de les ones gravitatòries generades pel vent a la superfície lliure dels estanys, llacs, mars i oceans de la Terra és predominantment d'entre 0,3 i 30 segons (corresponent a freqüències entre 3 Hz i 0,03 Hz). Les ones més curtes també es veuen afectades per la tensió superficial i s'anomenen ones gravitacionals-capil·lars i (si gairebé no estan influenciades per la gravetat) ones capil·lars. Alternativament, les anomenades ones d'infragravetat, que es deuen a la interacció no lineal subharmònica de les ones de vent amb les ones de vent, tenen períodes més llargs que les ones generades pel vent que les acompanyen. miniatura|Núvols d'onades sobre Theresa, Wisconsin, Estats Units

Dinàmica de l'atmosfera a la Terra A l'atmosfera terrestre, les ones de gravetat són un mecanisme que produeix la transferència de momentum de la troposfera a l'estratosfera i la mesosfera. Les ones de gravetat es generen a la troposfera per sistemes frontals o pel flux d'aire sobre les muntanyes. Al principi, les ones es propaguen a través de l'atmosfera sense un canvi apreciable en la velocitat mitjana. Però a mesura que les ones arriben a aire més enrarit (prim) a altituds més elevades, la seva amplitud augmenta i els efectes no lineals fan que les ones es trenquin, transferint el seu momentum al flux mitjà. Aquesta transferència de momentum és responsable del forçament de les moltes característiques dinàmiques a gran escala de l'atmosfera. Per exemple, aquesta transferència de momentum és en part responsable de la conducció de l'oscil·lació quasibiennal i, a la mesosfera, es creu que és la principal força impulsora de l'oscil·lació semianual. Per tant, aquest procés juga un paper clau en la dinàmica de l'atmosfera mitjana. alt=wave clouds observed over the ocean, seen from a satellite|miniatura|Ones de gravetat impulsades pel vent al mar de Timor, a Austràlia Occidental, vistes des de l'espai Les ones gravitatòries atmosfèriques que arriben a la ionosfera són responsables de la generació de pertorbacions ionosfèriques viatgeres i es podrien observar mitjançant radars.

Descripció quantitativa Aigües profundes La velocitat de fase d'una ona gravitatòria lineal amb nombre d'ona ve donat per la fórmula

on g és l'acceleració deguda a la gravetat. Quan la tensió superficial és important, això es modifica a

on σ és el coeficient de tensió superficial i ρ és la densitat.

Des de és la velocitat de fase en termes de la freqüència angular i el nombre d'ona, la freqüència angular de l'ona gravitatòria es pot expressar com

La velocitat de grup d'una ona (és a dir, la velocitat a la qual viatja un paquet d'ones) ve donada per

i per tant, per a una ona gravitatòria,

La velocitat de grup és la meitat de la velocitat de fase. Una ona en què les velocitats de grup i de fase difereixen s'anomena dispersiva.

Aigua poc profunda Les ones gravitacionals que viatgen en aigües poc profundes (on la profunditat és molt menor que la longitud d'ona) no són dispersives: les velocitats de fase i de grup són idèntiques i independents de la longitud d'ona i la freqüència. Quan la profunditat de l'aigua és h ,

Generació d'ones oceàniques pel vent Les ones gravitacionals superficials han estat reconegudes com una eina poderosa per estudiar models de gravetat analògics, proporcionant plataformes experimentals per a fenòmens que es troben típicament en la física dels forats negres. En un experiment, es van utilitzar ones gravitacionals superficials per simular horitzons de l'espai de fase, similars als horitzons d'esdeveniments dels forats negres. Aquest experiment va observar singularitats de fase logarítmiques, que són centrals en fenòmens com la radiació de Hawking, i l'aparició de distribucions de Fermi-Dirac, que són paral·leles als sistemes de la mecànica quàntica.

Mitjançant la propagació d'ones gravitacionals superficials d'aigua, els investigadors van poder recrear les funcions d'ona d'energia d'un oscil·lador harmònic invertit, un sistema que serveix com a anàleg per a la física dels forats negres. L'experiment va demostrar com la lliure evolució d'aquestes ones clàssiques en un entorn de laboratori controlat pot revelar la formació d'horitzons i singularitats, il·luminant aspectes fonamentals de les teories gravitacionals i la mecànica quàntica.

Turbulència d'aire clar Les ones de gravetat es generen a mesura que l'aire es veu obligat a pujar i baixar per serralades més petites, creant oscil·lacions en la flotabilitat i el vent vertical. Aquestes ones normalment romanen estables en condicions suaument estratificades com les que es troben en serralades com els Apalatxes. Tanmateix, a mesura que augmenta l'alçada del terreny, el desplaçament vertical resultant amplifica aquestes pertorbacions i augmenta el cisallament vertical del vent. Aquesta desestabilització es pot quantificar mitjançant el nombre de Richardson, la relació entre la flotabilitat i el cisallament del flux. Si el cisallament esdevé prou fort, les forces d'estirament dels gradients de vent són més positives que la resistència a la flotabilitat que fa que les capes d'aire es rodolin les unes sobre les altres. Això es pot analitzar més a fons amb l'equació d'inestabilitat de Kelvin-Helmholtz . Aquesta ruptura de l'estructura de les ones provoca turbulències d'aire clar, que és un moviment atmosfèric a menor escala que normalment es percep als avions.

Referències

Categoria:Ones Categoria:Dinàmica de fluids