OF2020 Waves

GELOMBANG

Danar Pratomo 2020



Dua istilah yang sering dipakai mempelajari gelombang:

1. seas (ombak)

→ gelombang yang masih berada di daerah yang masih dipengaruhi angin ← fetch

→ bentuknya tidak teratur

2. swell (alun)

→ gelombang yang telah keluar dari pengaruh angin

→ bentuk teratur dan panjang gelombang besar

o

A Wave is a rhythmic movement that carries energy through matter or space.

o

When a wave passes through the ocean, individual water molecules move up and down in a circular motion but they do not move forward or backward

o

As waves approach shore, the wave length decreases and wave height increases

o

When a wave breaks against the shore, the crest outruns

the trough and the crest collapses-this is called a breaker

(water moves forward and backward at this point).

 Bila di atas permukaan laut yang tenang terdapat angin yang bertiup

→ maka mula-mula akan terbentuk gelombang-gelombang kecil riak (ripples)

 Riak berperan membentuk kekasaran muka laut → membantu transfer energi dari angin

 Bila angin terus berhembus akan terbentuk gelombang-gelombang yang lebih panjang (besar) dan memiliki tinggi yang semakin

membesar ← adanya transfer energi dari angin

 Pada saat tertentu tinggi gelombang tidak dapat terus bertambah walaupun angin terus berhembus → karena tercapai suatu kondisi dimana tinggi gelombang berhenti untuk bertambah →

keseimbangan antara energi yang ditransferkan dengan energi yang terdissipasi oleh peristiwa pecahnya gelombang

 Gelombang yang terbentuk dalam kondisi ini fully developed sea

1. In deep water, waves usually travel as long, and low waves

called swells.

2. Friction with the ocean floor causes waves to slow down

in the shallow water near the shore.

3. When the water reaches certain height, the crest outruns the trough and the crest collapses.

4. The waves breaks onto the shore, forming surf.

The simplest way of looking at waves is the concept of a wave as a harmonic oscillation. It can then be described by its:

 period   the time it takes 2 successive wave crests to pass a fixed point

 frequency  = 1 /   the number of waves passing a fixed point per second

 wavelength   horizontal distance between two successive wave crests

 wave speed c =  / 

 wave height H = 2A (A = Amplitude)  vertical distance between wave crest and adjacent trough

 wave steepness  = H / 

Water deeper than 0.5  Wavelength

()

0.5

Calm Water

Tanpa terjadi perpindahan materi

Ocean waves can be classified in various ways:

Disturbing Force- the forces which generate the waves.

1. Meteorological forcing (wind, air pressure); seas and swell belong to this category.

2. Earthquakes; they generate tsunamis, which are shallow water or long waves.

3. Tides (astronomical forcing); they are always shallow water or long waves.

Hurricane Andrew- 1992

"Tsunami" - a Japanese word meaning "great wave in harbor".

It is a series of ocean waves commonly caused by violent movement of the sea floor by submarine faulting, landslides, or volcanic activity. A tsunami travels at the

speed of nearly 500 miles per hour outward from the site of the violent movement.

Fault

displacement under water displaces water, water moves to fill vacuum,

generating large waves.

TSUNAMI

o Tsunamis struck Kahului in 1946, 1957, 1960, and 1964. The earliest historically recorded tsunami in Kahului occurred on November 7, 1837, when a large tsunami traveled 800 yards inland and destroyed a Hawaiian village.

The 1960 tsunami was caused by a violent earthquake in Chile on May 22, 1960. It took approximately 15 hours for the tsunami to travel from Chile to the Hawaiian Islands. The tsunami killed 61 people in Hilo on the Big Island, but there were no other human casualties on any of the other islands. The tsunami caused

moderate damage in Kahului.

Maui

Puunene Avenue

Aftermath of a Tsunami in Kahului, 1960

A giant wave engulfs the Hilo pier

during the 1946 tsunami. The red arrow points to a man who was swept away seconds later.

A giant wave hits Aceh on Boxing Day 2004

Earthquake originated in Anchorage, AK

tides w/out tsunami

Passage of a tsunami as seen in a sea level record from Hilo, Hawaii. The observed sea level shows high frequency variations with a period of approximately 20 minutes and an initial amplitude of nearly two meters (total tsunami wave height 3.7 m)

The mathematical simulation shows the tsunami created by the Cascadia Subduction Zone earthquake on January 26, 1700, as it reaches Hawaii on its way across the

Pacific Ocean (5 hrs).

1. Free waves- a wave that is formed by a disturbing force such as a storm. Waves continue to move without additional

wind energy

2. Forced wave- a wave that is maintained

by its disturbing force, e.g., tides

Force necessary to restore the water surface to flatness after a wave has formed in it

 Capillary waves - wavelength < 1.73 cm

 Gravity waves - wavelength > 1.73 cm

 Wavelength- determines the size of the orbits of water molecules within a wave

 Water depth- determines the shape of the orbits:

1. Deep-water waves - more circular orbits Water Depth  1/2 of wavelength

2. Transitional waves - intermediate-shaped orbits 1/20 wavelength  depth  ½ wavelength

3. Shallow-water waves - orbits are more flattened Water Depth  1/20 of wavelength

Gravity waves formed by the transfer of wind energy into water

 Wave height - usually <3m

 Wave length - 60 -150m

Factors that affect wind wave development:

 Wind strength

 Wind duration

 Fetch

http://www.newportsurf.com/tides.html

Interference waves: when waves from different storm

systems overtake one another. They add (constructive

interference) or subtract (destructive interference)

from the other.

 freak waves that come out of nowhere

 created by constructive interference

 formed by the interaction of a wind wave and a swift surface current

 common in southeastern tip of Africa

 Types of Breaking Waves:

 Plunging breaker

 Spilling breaker

 Surging breaker

 Factors that determine the position and nature of the breaking wave:

 Slope

 Contour

 Composition



efek shoaling → tinggi gelombang >>> ketika gelombang memasuki perairan dangkal



tinggi gelombang akan mencapai suatu ketinggian tertentu → tidak stabil → pecah



gelombang pecah → kriteria:

 kecuraman gelombang (wave steepness)

 perbandingan tinggi gelombang dan kedalaman

7

 1



78 .

 0

d

H



gelombang pecah → tinggi gelombang 80% dari kedalaman perairan



kedalaman air → gelombang pecah ditaksir dengan formula

b

b

H

d  1 . 3

pantai yang sangat landai

pantai yang lebih curam

pantai yang sangat curam

a gradual sloping bottom generates a milder wave

• Doesn't break, because it never reaches critical wave steepness

• Breaker diminishes in size and looses momentum

• Found on beach with a very steep or near vertical slope

Sunset Beach Waikiki Beach

What type wave are these?

When light enters a glass block... It bends and refracts!

Why did it refract?

When light enters a glass block...

it slows down

Therefore it bends back to its

original refracts angle.

Therefore it bends and

refracts

When it exits the glass block

It speeds up again.

Change in direction / bending due to changes in speed.

What is wave refraction then?

Almost Parallel Manner

Away from the headlands, the waves are almost parallel to each other.

As it approach the headlands, it begins to bend.

Bends approach towards the headlands bends away from sea.

Wave Refraction

occurred?

 Refraction occurs when waves change direction as they enter one medium from another at an oblique angle.

 If a wave moves from one medium into another at right angle, there is no refraction because there is no change in direction of the wave.

 Refraction happens because a wave moves at different speeds in different media - faster in less dense medium (or deeper water) and slower in denser medium (or shallow water).

• The frequency of a wave in different media does not change. It is the

change in wavelength that causes the wave speed to change.

 Since wave speed v = λf: when waves move from a less dense medium (or deeper water) to denser medium (or shallower water),

wavelength decreases resulting in decrease in wave speed (frequency unchanged);

 Conversely, when waves move from a denser medium (or shallower water) to a less dense medium (or deeper water), wavelength

increases causing the wave speed to increase.

 Decrease in wavelength λ means successive wavefronts get closer;

and, conversely, increase in wavelength (and thus wave speed) means the wavefronts get further apart

when a wave approaches an inclined surface (shore)

from an angle, the wave slows and bends, paralleling

the shoreline, creating odd surf patterns

wave ray

isoline depth contour wave crest

coastline



refraksi cenderung membuat muka gelombang atau puncak gelombang // kontur atau garis pantai → sinar gelombang cenderung ┴ kontur kedalaman



di daerah teluk: penyebaran sinar gelombang → daerah divergensi

 penyebaran sinar gelombang juga menyatakan pengurangan energi gelombang karena tinggi gelombang mengecil



di daerah tanjung: pemusatan sinar gelombang →

pemusatan energi gelombang → daerah konvergensi

 tinggi gelombang menjadi lebih besar dari daerah teluk

sehingga benturan gelombang di daerah tanjung lebih besar daripada di daerah teluk

Propagation of a wave around an obstacle



terjadi apabila gelombang membentur ujung suatu break water



terjadi transfer energi secara lateral→ terjadi pengurangan tinggi gelombang di zona yang terlindungi oleh break water



tinggi gelombang yang diakibatkan difraksi

i d

p

K H

H 

A progressive wave striking a vertical barrier and being reflected in the direction from

where they came



bila gerakan gelombang dihalangi oleh suatu penghalang (dinding vertikal) → pemantulan gelombang



superposisi dari gelombang datang dan gelombang pantul → gelombang berdiri standing waves



puncak gelombang dari gelombang berdiri tidak

bergerak di dalam ruang, sedangkan tinggi berubah terhadap waktu dan nilai maksimal → nol → minimal

→ nol dan kembali ke maksimum di dalam satu

perioda gelombang



pada bidang antara (interface) yang memisahkan dua lapisan fluida yang berbeda densitasnya



dua kasus gelombang internal → kecepatan fasa gelombang internal

1. lapisan atas lebih tipis dari lapisan bawah

2. kedua lapisan tipis

• Breakage

• Scour

• Abrasion



Depth- lack of coral accretion in shallow open ocean coastline due to wave energy



Absence of mature barrier reef

 Destructive waves

causes high mortality on reef building corals

 Low moderate non destructive waves

optimizes mixing and nutrient uptake or exchange, usually beneficial due to increased circulation and nutrients between water and

organisms:

Algal Ridge

Algal Ridge

Algal Ridge

Algal Ridge

berdasarkan gaya pemulih

gaya pemulih → untuk mengembalikan permukaan air yang terganggu (akibat terbentuknya gelombang) ke posisi semula (pada waktu laut dalam keadaan tenang)

 gelombang L < 1.63cm

→ gaya pemulih: tegangan permukaan → gelombang kapiler

 gelombang L > 5cm

→ gaya pemulih: gravitasi → gelombang gravitasi

 gelombang 1.63 < L < 5cm

→ gaya pemulih: tegangan permukaan dan gravitasi → gelombang campuran

Klasifikasi Gelombang T

1 Kapiler < 0.1s

2 Ultra gravitasi 0.1 – 1s

3 Gravitasi 1 – 30 s

4 Infra gravitasi 30s – 5’

5 Perioda panjang 5’ – 12h

6 Pasut 12 – 24h

7 Trans tidal >24h

energi gelombang yang paling besar berasal dari

gelombang gravitasi yang ditimbulkan angin (ordinary gravity waves)



parameter gelombang yang mudah diukur

→ perioda gelombang



teori gelombang linier diperoleh hubungan antara kecepatan rambat dan bilangan gelombang

k kd

C

²

 g tanh

L d

C gL 



tanh 2 2

2



L d

C gT 



tanh 2 2

2



hubungan dispersi gelombang atau

atau

deep water wave

intermediate depth wave

shallow water wave

d > L/2

L/2 < d < L/20

d < L/20 c1 > c2 > c3

 

 



 

L d

c gL 



tanh 2

2

2 c

₃

 gd



1

2

c  gL

berdasarkan perbandingan d dan L:

 d/L < 0.05 → perairan dangkal → gelombang panjang

 0.05 < d/L < 0.5 → perairan menengah

 d/L > 0.5 → perairan dalam → gelombang pendek



Rumus cepat rambat gelombang dapat disederhanakan

untuk kasus perairan dalam dan dangkal → pendekatan

fungsi hiperbolik

pendekatan hiperbolik untuk laut dangkal dan dalam

perairan dangkal kd <<<

(d > 0.05L)

perairan dalam kd >>>

(d > 0.5L)

sinh (kd) kd 0.5 e^kd

cosh (kd) 1 0.5 e^kd

tanh (kd) kd 1

Dengan mengabaikan faktor kesalahan (< 5%) diperoleh pendekatan hiperbolik untuk perairan dangkal dan

dalam

 untuk laut dalam (deep water)?

 kecepatan gelombang perairan bergantung pada panjang gelombang

 gelombang panjang bergerak lebih cepat dari gelombang pendek

 medium dimana gelombang bergerak dengan kecepatan yang bergantung pada panjang gelombang → medium dispersif

 gelombang perairan dalam → gelombang dispersif

 untuk laut menengah (intermediate)?

 kecepatan fasa bergantung pada panjang gelombang dan kedalaman air

 untuk laut dangkal (shallow water)?

 kecepatan rambat gelombang tidak bergantung pada panjang gelombang tapi pada kedalaman perairan



gelombang yang bergerak di permukaan air laut tidak menggerakan masa air mentransfer energi



lintasan partikel air yang timbul akibat gerakan

gelombang di permukaan berbentuk lingkaran atau ellips



di perairan dalam → lintasan partikel air berbentuk lingkaran



di perairan menengah dan dangkal→ lintasan partikel

air berbentuk ellips

a. Longshore current

 As waves come into shore, water washes up the beach at an angle, carrying sand grains.

 The water and sand then run straight back down the beach.

b. Rip Current

 Long ridges or piles of sand create sand bars.

 A break in a sand bar allows a fast-moving narrow stream of water through



Energi gelombang dengan panjang L dari

permukaan sampai dasar → Σ energi kinetik (Ek) dan potensial (Ep)

 Energi kinetik gerak partikel air dengan kecepatan u dan v

 Energi potensial yang timbul akibat elevasi muka air terhadap permukaan yang tidak terganggu (z = 0) ← gelombang:

2

2

1 m  E

_k



mgh

E

_p





Energi kinetik rata-rata per satuan luas permukaan gelombang



Energi potensial rata-rata persatuan luas permukaan gelombang



Energi total rata-rata permukaan gelombang????

4 ga

2

E

_p

_  4 ga

2

E

_k

_ 



Kecepatan akan berkurang ← pengaruh gesekan dasar



Panjang gelombang → pendek



Gelombang mengalami refraksi → perubahan kecepatan gelombang



Bila membentur ujung break water atau bangunan pantai lainnya → difraksi gelombang



Bila membentur suatu dinding penghalang → refleksi gelombang



Tinggi gelombang akan membesar sebelum pecah

L T C 

T tidak berubah selama penjalaran → perairan dangkal C <<<, T tetap → L <<< mengecil



tinggi gelombang yang diakibatkan shoaling



efek pendangkalan gelombang

 memperpendek panjang gelombang (L₂ < L₁)

 memperbesar tinggi gelombang sebelum gelombang pecah (H₂ > H₁)

1

2

K H

H 

_s

 tinggi gelombang yang diakibatkan shoaling + refraksi:

H

0

K K

H 

_{r s}



di laut gelombang bergerak dalam kelompok-kelompok atau group-group



dalam suatu group → tinggi gelombang individu bervariasi



terjadi: superposisi dari gelombang-gelombang yang bergerak dalam arah yang sama, frekuensi dan panjang gelombangnya tidak jauh berbeda



terbentuknya group gelombang → tinjau dua gelombang progressif dengan amplitudo yang sama dan frekuensi serta panjang gelombang yang tidak jauh berbeda



kedua gelombang tersebut bergerak dalam arah yang sama



kecepatan gelombang individu di dalam group ≠ kecepatan group gelombang



pendekatan → perairan dalam (kd >>)



pendekatan → perairan dangkal (kd <<)

kd C

C_g kd 



 

 

 sinh 2 1 2

2 1



transfer energi → kecepatan group gelombang ≠ kecepatan fasa gelombang individu



fluks energi gelombang dinyatakan oleh

 F : fluks energi gelombang

 E : energi kgelombang

 Cg: kecepatan group gelombang

E

C

F 

_g

 lokasi dimana elevasi muka air nol setiap waktu → titik simpul (nodes)

→ partikel air bergerak secara horisontal

 lokasi tinggi gelombang maksimum (2a) → titik perut (antinodes) → partikel air bergerak secara vertikal

Tipe Tertutup

Tipe Semi Tertutup

gd T  2l

gd

T 4l



perioda osilasi



perioda osilasi → perioda alami dari basin



perioda alami basin → efek resonansi gelombang

 jika gelombang panjang memasuki suatu basin tertutup,

periodanya mendekati atau sama dengan perioda alami dari basin tersebut → resonansi gelombang → perbesaran tinggi gelombang



desain suatu kolam pelabuhan → efek resonansi



dua hal dalam mendesain kolam pelabuhan

 efek gelombang angin ← diredam dengan break water

 efek resonansi gelombang → mengganggu proses bongkar muat kapal ←merancang dimensi kolam pelabuhan tidak menimbulkan resonansi

 Laut Arctic lapisan tipis air tawar ← pencairan es di atas air laut

 Mengganggu gerakan kapal

 Kapal terhambat gerakannya → dead water ← kecepatan diperbesar ← kecepatan diperbesar