एयरी तरंग सिद्धांत

द्रव गतिकी में, हवादार तरंग सिद्धांत (अक्सर रैखिक तरंग सिद्धांत के रूप में संदर्भित) एक सजातीय द्रव परत की सतह पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों के तरंग प्रसार का एक रैखिक प्रणाली विवरण देता है। सिद्धांत मानता है कि द्रव परत में एक समान औसत गहराई होती है, और यह कि द्रव का प्रवाह अदृश्य, असंपीड़ित और तर्कहीन  होता है। यह सिद्धांत पहली बार 19वीं शताब्दी में जॉर्ज बिडेल एरी द्वारा सही रूप में प्रकाशित किया गया था। हवादार लहर सिद्धांत अक्सर यादृच्छिक समुद्री राज्यों के मॉडलिंग के लिए अपतटीय निर्माण और तटीय इंजीनियरिंग में लागू होता है - कई उद्देश्यों के लिए उच्च-पर्याप्त सटीकता की लहर गतिकी और गतिशीलता (यांत्रिकी) का विवरण देता है। इसके अलावा, कई गड़बड़ी सिद्धांत | सतह गुरुत्वाकर्षण तरंगों के दूसरे क्रम के अरैखिक गुणों और उनके प्रसार का अनुमान इसके परिणामों से लगाया जा सकता है। हवादार तरंग सिद्धांत भी समुद्र में सुनामी लहरों के लिए एक अच्छा सन्निकटन है, इससे पहले कि वे तट के पास खड़ी हो जाएँ। इस रेखीय सिद्धांत का प्रयोग अक्सर तरंग विशेषताओं और उनके प्रभावों का त्वरित और मोटा अनुमान प्राप्त करने के लिए किया जाता है। यह सन्निकटन तरंग ऊँचाई से पानी की गहराई (उथले पानी में तरंगों में तरंगों के लिए) और तरंग ऊँचाई से तरंग दैर्ध्य (गहरे पानी में तरंगों के लिए) के छोटे अनुपातों के लिए सटीक है।

विवरण
हवादार तरंग सिद्धांत द्रव सतह पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों की गति का वर्णन करने के लिए एक संभावित प्रवाह (या वेग क्षमता) दृष्टिकोण का उपयोग करता है। पानी की लहरों में संभावित प्रवाह (इनविसिड और इरोटेशनल) का उपयोग उल्लेखनीय रूप से सफल है, कई अन्य द्रव प्रवाहों का वर्णन करने में इसकी विफलता को देखते हुए जहां अक्सर चिपचिपापन, चक्कर आना, अशांति या प्रवाह अलगाव को ध्यान में रखना आवश्यक होता है। यह इस तथ्य के कारण है कि द्रव गति के दोलनशील भाग के लिए, तरंग-प्रेरित vorticity द्रव डोमेन की सीमाओं पर कुछ पतली दोलनशील स्टोक्स सीमा परतों तक सीमित है। हवादार तरंग सिद्धांत का उपयोग अक्सर अपतटीय निर्माण और तटीय इंजीनियरिंग में किया जाता है। विशेष रूप से यादृच्छिक तरंगों के लिए, जिसे कभी-कभी तरंग अशांति कहा जाता है, तरंग आँकड़ों का विकास - तरंग स्पेक्ट्रम सहित - बहुत लंबी दूरी (तरंग दैर्ध्य के संदर्भ में) और उथले पानी में नहीं होने पर अच्छी तरह से भविष्यवाणी की जाती है। विवर्तन तरंग प्रभावों में से एक है जिसे हवादार तरंग सिद्धांत के साथ वर्णित किया जा सकता है। इसके अलावा, WKBJ सन्निकटन का उपयोग करके, लहर शोलिंग  और अपवर्तन की भविष्यवाणी की जा सकती है।

संभावित प्रवाह का उपयोग करते हुए भूतल गुरुत्वाकर्षण तरंगों का वर्णन करने के पहले के प्रयास, पियरे-साइमन लाप्लास, सिमोन डेनिस पॉइसन, ऑगस्टिन लुइस कॉची और फिलिप केलैंड द्वारा किए गए थे। लेकिन जॉर्ज बिडेल एरी 1841 में सही व्युत्पत्ति और सूत्रीकरण प्रकाशित करने वाले पहले व्यक्ति थे। इसके तुरंत बाद, 1847 में, गैर-रैखिक तरंग गति के लिए जॉर्ज गेब्रियल स्टोक्स द्वारा हवादार के रैखिक सिद्धांत का विस्तार किया गया - जिसे स्टोक्स तरंग के रूप में जाना जाता है। स्टोक्स की तरंग सिद्धांत - लहर की स्थिरता में गड़बड़ी सिद्धांत # गड़बड़ी के आदेश तक सही है। एरी के रेखीय सिद्धांत से पहले भी, फ्रांटिसेक जोसेफ गेर्स्टनर ने 1802 में एक अरेखीय ट्रोकोइडल तरंग सिद्धांत प्राप्त किया था, जो हालांकि अघूर्णनात्मक नहीं है।

हवादार तरंग सिद्धांत एक संभावित प्रवाह की सतह पर और एक क्षैतिज तल के ऊपर तरंगों के प्रसार के लिए एक रैखिक सिद्धांत है। मुक्त सतह ऊंचाई η(x,t)}क्षैतिज स्थिति के कार्य के रूप में एक तरंग घटक का } sinusoidal है $x$ और समय $t$:


 * $$\eta(x,t) = a \cos \left( kx - \omega t\right)$$

कहाँ
 * $a$ मीटर में तरंग का आयाम है,
 * $\sqrt{gh}$ कोज्या फलन है,
 * $k$ कांति प्रति मीटर में कोणीय तरंग संख्या है, जो तरंग दैर्ध्य से संबंधित है $λ$ द्वारा $h⁄λ$,
 * $ω$ अवधि (भौतिकी) से संबंधित रेडियन प्रति सेकंड में कोणीय आवृत्ति है $T$ और आवृत्ति $f$ द्वारा $\sqrt{gh}$.

चरण गति के साथ लहरें पानी की सतह के साथ फैलती हैं $c_{p}$:


 * $$c_p = \frac{\omega}{k} = \frac{\lambda}{T}.$$

कोणीय तरंग संख्या $k$ और आवृत्ति $ω$ स्वतंत्र पैरामीटर नहीं हैं (और इस प्रकार वेवलेंथ भी $λ$ और अवधि $T$ स्वतंत्र नहीं हैं), लेकिन युग्मित हैं। एक तरल पदार्थ पर सतही गुरुत्व तरंगें फैलाव (जल तरंगें) तरंगें हैं - आवृत्ति फैलाव प्रदर्शित करती हैं - जिसका अर्थ है कि प्रत्येक तरंग संख्या की अपनी आवृत्ति और चरण गति होती है।

ध्यान दें कि इंजीनियरिंग में तरंग ऊंचाई $H$ - शिखा (भौतिकी) और गर्त (भौतिकी) के बीच ऊंचाई में अंतर - अक्सर प्रयोग किया जाता है:


 * $$H = 2 a \quad \text{and} \quad a = \tfrac12 H,$$

रैखिक आवधिक तरंगों के वर्तमान मामले में मान्य।

सतह के नीचे, मुक्त सतह गति से जुड़ी द्रव गति होती है। जबकि सतह का उन्नयन एक प्रसार तरंग दिखाता है, द्रव कण एक कक्षीय गति में हैं। हवादार तरंग सिद्धांत के ढांचे के भीतर, कक्षाएँ बंद वक्र हैं: गहरे पानी में वृत्त और परिमित गहराई में दीर्घवृत्त - द्रव परत के तल तक पहुँचने से पहले ही वृत्त मर जाते हैं, और दीर्घवृत्त द्रव परत के तल के निकट समतल हो जाते हैं. इसलिए जब तरंग फैलती है, द्रव कण अपनी औसत स्थिति के चारों ओर परिक्रमा (दोलन) करते हैं। प्रसार तरंग गति के साथ, द्रव कण तरंग प्रसार दिशा में ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं, बिना औसत वेग के। मुक्त सतह के नीचे गहराई के साथ कक्षाओं का व्यास घटता जाता है। गहरे पानी में, आधी तरंग दैर्ध्य की गहराई पर कक्षा का व्यास इसके मुक्त-सतह मान के 4% तक कम हो जाता है।

इसी तरह से, मुक्त सतह के नीचे एक दबाव दोलन भी होता है, जिसमें लहर-प्रेरित दबाव दोलन मुक्त सतह के नीचे गहराई के साथ कम हो जाते हैं - उसी तरह द्रव पार्सल की कक्षीय गति के लिए।

प्रवाह समस्या निर्माण
कार्टेशियन समन्वय प्रणाली के साथ तरंगें क्षैतिज दिशा में फैलती हैं $x$, और ऊपर एक मुक्त सतह से बंधा एक द्रव डोमेन $cos$, साथ $z$ लंबवत समन्वय (ऊपर की दिशा में सकारात्मक) और $t$ समय होना। स्तर $k = 2π⁄λ$ औसत सतह ऊंचाई से मेल खाती है। द्रव परत के नीचे पारगम्यता (पृथ्वी विज्ञान) बिस्तर पर है $ω = 2π⁄T = 2πf$. इसके अलावा, प्रवाह को असम्पीडित प्रवाह और इर्रोटेशनल प्रवाह माना जाता है - एक तरल सतह पर तरंगों के लिए द्रव इंटीरियर में प्रवाह का एक अच्छा सन्निकटन - और प्रवाह का वर्णन करने के लिए संभावित सिद्धांत का उपयोग किया जा सकता है। वेग क्षमता $z = η(x,t)$ प्रवाह वेग घटकों से संबंधित है $u_{x}$ और $u_{z}$ क्षैतिज में ($x$) और लंबवत ($z$) द्वारा निर्देश:


 * $$ u_x = \frac{\partial\Phi}{\partial x} \quad \text{and} \quad u_z = \frac{\partial\Phi}{\partial z}.$$

फिर, एक असंगत प्रवाह के लिए निरंतरता समीकरण # द्रव गतिकी के कारण, क्षमता $z = 0$ को लाप्लास समीकरण को संतुष्ट करना है:

समीकरणों की प्रणाली को बंद करने के लिए बिस्तर और मुक्त सतह पर सीमा की स्थिति की आवश्यकता होती है। रैखिक सिद्धांत के ढांचे के भीतर उनके निर्माण के लिए, यह निर्दिष्ट करना आवश्यक है कि प्रवाह की आधार स्थिति (या गड़बड़ी सिद्धांत | शून्य-क्रम समाधान) क्या है। यहां, हम मानते हैं कि आधार स्थिति बाकी है, मतलब प्रवाह वेग शून्य है।

बिस्तर अभेद्य होने के कारण, कीनेमेटीक्स बिस्तर सीमा-स्थिति की ओर जाता है:

गहरे पानी के मामले में - जिसका अर्थ है अनंत पानी की गहराई, गणितीय दृष्टिकोण से - प्रवाह वेगों को सीमा (गणित) में शून्य पर जाना पड़ता है क्योंकि ऊर्ध्वाधर समन्वय शून्य से अनंत तक जाता है: $z = −h$.

मुक्त सतह पर, अतिसूक्ष्म तरंगों के लिए, प्रवाह की ऊर्ध्वाधर गति मुक्त सतह के ऊर्ध्वाधर वेग के बराबर होनी चाहिए। यह कीनेमेटिक फ्री-सतह सीमा-स्थिति की ओर जाता है:

यदि मुक्त सतह उन्नयन $Φ(x, z, t)$ एक ज्ञात कार्य था, यह प्रवाह की समस्या को हल करने के लिए पर्याप्त होगा। हालाँकि, सतह की ऊँचाई एक अतिरिक्त अज्ञात है, जिसके लिए एक अतिरिक्त सीमा शर्त की आवश्यकता होती है। यह Bernoulli के सिद्धांत द्वारा प्रदान किया गया है#अस्थिर संभावित प्रवाह|एक अस्थिर संभावित प्रवाह के लिए Bernoulli का समीकरण। मुक्त सतह के ऊपर दबाव स्थिर माना जाता है। यह निरंतर दबाव सामान्यता के नुकसान के बिना शून्य के बराबर लिया जाता है, क्योंकि इस तरह के निरंतर दबाव का स्तर प्रवाह को नहीं बदलता है। रैखिककरण के बाद, यह गतिकी (भौतिकी) मुक्त-सतह सीमा की स्थिति देता है:

क्योंकि यह एक रैखिक सिद्धांत है, दोनों मुक्त-सतह सीमा स्थितियों में - गतिज और गतिशील एक, समीकरण ($$) और ($$) - का मान है $Φ$ और $z → −∞$ निश्चित माध्य स्तर पर $η(x,t)$ प्रयोग किया जाता है।

एक प्रगतिशील मोनोक्रोमैटिक तरंग के लिए समाधान
एकल आवृत्ति की प्रसार तरंग के लिए - एक एकरंगा तरंग - सतह की ऊँचाई का रूप है:


 * $$\eta = a \cos ( k x - \omega t ).$$

संबद्ध वेग क्षमता, द्रव इंटीरियर में लाप्लास समीकरण (1) को संतुष्ट करने के साथ-साथ मुक्त सतह (2), और बिस्तर (3) पर कीनेमेटिक सीमा की स्थिति है:


 * $$\Phi = \frac{\omega}{k} a \frac{\cosh k (z+h) }{\sinh k h} \sin ( k x - \omega t),$$

साथ $Φ$ और $∂Φ⁄∂z$ अतिशयोक्तिपूर्ण साइन  और  अतिशयोक्तिपूर्ण कोसाइन  फ़ंक्शन, क्रमशः। लेकिन $$ और $z = 0$ को गतिशील सीमा की स्थिति को भी पूरा करना होता है, जिसके परिणामस्वरूप तरंग आयाम के लिए गैर-तुच्छ (गैर-शून्य) मान होते हैं $$ केवल अगर रैखिक फैलाव (जल तरंगें) संतुष्ट हैं:


 * $$\omega^2 = g k \tanh k h ,$$

साथ $sinh$ अतिशयोक्तिपूर्ण स्पर्शरेखा। तो कोणीय आवृत्ति $$ और तरंग संख्या $$ - या समतुल्य अवधि $η$ और तरंग दैर्ध्य $a$ - स्वतंत्र रूप से नहीं चुना जा सकता है, लेकिन संबंधित हैं। इसका मतलब यह है कि द्रव की सतह पर तरंग प्रसार एक आइगेनसमस्या है। कब $ω$ और $k$ फैलाव संबंध, तरंग आयाम को संतुष्ट करें $T$ स्वतंत्र रूप से चुना जा सकता है (लेकिन हवादार तरंग सिद्धांत के लिए एक वैध सन्निकटन होने के लिए काफी छोटा है)।

तरंग मात्रा की तालिका
नीचे दी गई तालिका में वायु तरंग सिद्धांत के अनुसार कई प्रवाह मात्राएं और पैरामीटर दिए गए हैं। ऊपर दिए गए समाधान के लिए दी गई मात्रा थोड़ी अधिक सामान्य स्थिति के लिए है। सबसे पहले, लहरें मनमाना क्षैतिज दिशा में फैल सकती हैं $cosh$ विमान। तरंग संख्या वेक्टर है $Φ$, और शिखा (भौतिकी) के कैमों के लंबवत है। दूसरे, औसत प्रवाह वेग के लिए भत्ता दिया जाता है $tanh$, क्षैतिज दिशा में और गहराई से अधिक (स्वतंत्र) समान $λ$. यह फैलाव संबंधों में डॉपलर बदलाव का परिचय देता है। पृथ्वी-स्थिर स्थान पर, देखी गई कोणीय आवृत्ति (या पूर्ण कोणीय आवृत्ति) है $ω$. दूसरी ओर, संदर्भ के एक फ्रेम में औसत वेग के साथ चलती है $x = (x,y)$ (इसलिए इस संदर्भ फ्रेम से देखा गया औसत वेग शून्य है), कोणीय आवृत्ति अलग है। इसे आंतरिक कोणीय आवृत्ति (या सापेक्ष कोणीय आवृत्ति) कहा जाता है, जिसे निरूपित किया जाता है $k$. तो शुद्ध तरंग गति में, साथ $k$, दोनों आवृत्तियों $a$ और $z$ बराबर हैं। तरंग संख्या $ω$ (और तरंग दैर्ध्य $σ$) संदर्भ के फ्रेम से स्वतंत्र हैं, और कोई डॉप्लर शिफ्ट नहीं है (मोनोक्रोमैटिक तरंगों के लिए)।

तालिका केवल प्रवाह मात्राओं के दोलनशील भागों को देती है - वेग, कण भ्रमण और दबाव - और उनका औसत मूल्य या बहाव नहीं। दोलनशील कण भ्रमण $U$ और $U$ ऑसिलेटरी फ्लो वेलोसिटी के टाइम अभिन्न  हैं $U = 0$ और $ξ_{x}$ क्रमश।

पानी की गहराई को तीन शासनों में वर्गीकृत किया गया है: फाइल:गहरी और उथली जल तरंगें।पीडीएफ|अंगूठा|297x297पीएक्स|तरंगदैर्घ्य को तल से गहराई से जोड़कर गहरी और उथली जल तरंगों का दृश्य। गहरे और उथले पानी के सीमित मामलों में, समाधान के लिए सरल अनुमान लगाया जा सकता है। जबकि मध्यवर्ती गहराई के लिए, पूर्ण योगों का उपयोग करना पड़ता है।
 * गहरा पानी - आधे तरंगदैर्घ्य से बड़े पानी की गहराई के लिए, $ξ_{z}$, तरंगों की चरण गति शायद ही गहराई से प्रभावित होती है (समुद्र और समुद्र की सतह पर अधिकांश पवन तरंगों के लिए यही स्थिति है),
 * उथला पानी - तरंग दैर्ध्य के 5% से कम पानी की गहराई के लिए, $u_{x}$, तरंगों की चरण गति केवल पानी की गहराई पर निर्भर है, और अब आवधिक कार्य या तरंग दैर्ध्य का कार्य नहीं है; और
 * मध्यवर्ती गहराई - अन्य सभी मामले, $u_{z}$, जहां पानी की गहराई और अवधि (या तरंग दैर्ध्य) दोनों का हवादार तरंग सिद्धांत के समाधान पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।

भूतल तनाव प्रभाव


सतही तनाव के कारण, फैलाव संबंध बदल जाता है:

इंटरफेसियल तरंगें
सतह तरंगें विभिन्न घनत्व के दो तरल पदार्थों के बीच इंटरफेस (रसायन विज्ञान) पर इंटरफेसियल तरंगों का एक विशेष मामला है।

अनंत गहराई की दो परतें
एक इंटरफेस द्वारा अलग किए गए दो तरल पदार्थों पर विचार करें, और आगे की सीमाओं के बिना। फिर उनका फैलाव संबंध $h > 1⁄2λ$ द्वारा दिया जाता है
 * $$ \Omega^2(k) = |k| \left( \frac{\rho-\rho'}{\rho+\rho'} g + \frac{\gamma}{\rho+\rho'} k^2 \right),$$

कहाँ $ω$ और $h > 1⁄2λ$ दो तरल पदार्थों के घनत्व हैं, नीचे ($σ$) और ऊपर दिए गए ($h < 1⁄20λ$) इंटरफ़ेस, क्रमशः। आगे γ इंटरफ़ेस पर सतह तनाव है।

इंटरफेसियल तरंगों के अस्तित्व के लिए, निचली परत को ऊपरी परत से भारी होना पड़ता है, $h < 1⁄20λ$. अन्यथा, इंटरफ़ेस अस्थिर है और रेले-टेलर अस्थिरता विकसित होती है।

क्षैतिज कठोर विमानों के बीच दो परतें
औसत मोटाई के तरल पदार्थ की दो सजातीय परतों के लिए $k$ इंटरफ़ेस के नीचे और $1⁄20λ < h < 1⁄2λ$ ऊपर - गुरुत्वाकर्षण की क्रिया के तहत और क्षैतिज कठोर दीवारों से ऊपर और नीचे घिरा - फैलाव संबंध ω2 = Ω2(k)}गुरुत्वाकर्षण तरंगों के लिए } द्वारा प्रदान किया जाता है:
 * $$ \Omega^2(k) = \frac{g k (\rho - \rho')}{\rho \coth k h  + \rho' \coth k h'},$$

कहाँ फिर से $λ$ और $h > 1⁄2λ$ इंटरफ़ेस के नीचे और ऊपर घनत्व हैं, जबकि $h < 1⁄20λ$ अतिशयोक्तिपूर्ण कोटिस्पर्श फलन है। मामले के लिए $4√gσ / ρ$ शून्य है यह परिमित गहराई के पानी पर सतह गुरुत्वाकर्षण तरंगों के फैलाव संबंध को कम करता है $h$.

एक मुक्त सतह द्वारा ऊपर की ओर बंधी दो परतें
इस मामले में फैलाव संबंध दो मोड के लिए अनुमति देता है: एक बैरोट्रोपिक मोड जहां मुक्त सतह का आयाम इंटरफेसियल तरंग के आयाम की तुलना में बड़ा होता है, और एक baroclinic  मोड जहां विपरीत स्थिति होती है - इंटरफेसियल तरंग एंटीपेज़ से अधिक होती है मुक्त सतह लहर के साथ। इस मामले के लिए फैलाव संबंध अधिक जटिल रूप का है।

द्वितीय क्रम तरंग गुण
कई क्षोभ सिद्धांत|द्वितीय-क्रम तरंग गुण, जो कि तरंग आयाम में द्विघात कार्य हैं $λ$, सीधे हवादार तरंग सिद्धांत से प्राप्त किया जा सकता है। वे कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण हैं, जैसे लहर की स्थिति का पूर्वानुमान। WKBJ सन्निकटन का उपयोग करते हुए, द्वितीय-क्रम तरंग गुण भी धीरे-धीरे बदलती बेथीमेट्री के मामले में तरंगों का वर्णन करने और धाराओं और सतह की ऊंचाई के औसत-प्रवाह भिन्नता के मामले में अपने अनुप्रयोगों को ढूंढते हैं। साथ ही तरंग क्षेत्र के आयाम, आवृत्ति, तरंग दैर्ध्य और दिशा में समय और स्थान-भिन्नताओं के कारण तरंग और माध्य-प्रवाह अंतःक्रियाओं के विवरण में।

द्वितीय क्रम तरंग गुणों की तालिका
नीचे दी गई तालिका में, कई द्वितीय-क्रम तरंग गुण - साथ ही वे गतिशील समीकरण जो अंतरिक्ष और समय में धीरे-धीरे बदलती स्थितियों के मामले में संतुष्ट होते हैं - दिए गए हैं। इनके बारे में अधिक जानकारी नीचे पाई जा सकती है। तालिका एक क्षैतिज स्थानिक आयाम में तरंग प्रसार के परिणाम देती है। इस खंड में आगे, द्वि-आयामी क्षैतिज स्थान में प्रसार के सामान्य मामले के लिए अधिक विस्तृत विवरण और परिणाम दिए गए हैं।

पिछले चार समीकरण औसत प्रवाह के साथ अंतःक्रिया में बाथिमेट्री पर धीरे-धीरे बदलती तरंग ट्रेनों के विकास का वर्णन करते हैं, और एक परिवर्तनशील सिद्धांत से प्राप्त किया जा सकता है: गेराल्ड बी. विथम की औसत लग्रांगियन विधि। माध्य क्षैतिज-संवेग समीकरण में, $1⁄λ√σ / ρg$ अभी भी पानी की गहराई है, यानी द्रव परत के नीचे की परत पर स्थित है $σ$. ध्यान दें कि द्रव्यमान और संवेग समीकरणों में माध्य-प्रवाह वेग द्रव्यमान परिवहन वेग है $h$, क्षैतिज द्रव्यमान परिवहन पर तरंगों के स्पलैश-ज़ोन प्रभाव सहित, न कि मीन लग्रांगियन और यूलेरियन निर्देशांक वेग (उदाहरण के लिए, एक निश्चित प्रवाह मीटर के साथ मापा गया)।

तरंग ऊर्जा घनत्व
तरंग ऊर्जा प्राथमिक रुचि की मात्रा है, क्योंकि यह एक प्राथमिक मात्रा है जिसे तरंग ट्रेनों के साथ ले जाया जाता है। जैसा कि ऊपर देखा जा सकता है, सतह की ऊंचाई और कक्षीय वेग जैसी कई तरंग मात्राएं प्रकृति में शून्य माध्य (रैखिक सिद्धांत के ढांचे के भीतर) के साथ दोलनशील हैं। जल तरंगों में, सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला ऊर्जा माप प्रति इकाई क्षैतिज क्षेत्र में औसत तरंग ऊर्जा घनत्व है। यह गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा घनत्व का योग है, जो द्रव परत की गहराई पर एकीकृत है और तरंग चरण पर औसत है। प्राप्त करने के लिए सरलतम औसत संभावित ऊर्जा घनत्व प्रति इकाई क्षैतिज क्षेत्र है $Ω⁄k$ सतह गुरुत्वाकर्षण तरंगें, जो तरंगों की उपस्थिति के कारण संभावित ऊर्जा का विचलन है:फिलिप्स (1977), पृ. 39.


 * $$\begin{align}

E_\text{pot} &= \overline{\int_{-h}^{\eta} \rho gz\,\mathrm{d}z} - \int_{-h}^0 \rho gz\, \mathrm{d}z \\[6px] &= \overline{\tfrac12\rho g\eta^2} = \tfrac14 \rho ga^2. \end{align}$$ ओवरबार माध्य मान को दर्शाता है (जो आवधिक तरंगों के वर्तमान मामले में समय औसत या अंतरिक्ष में एक तरंग दैर्ध्य पर औसत के रूप में लिया जा सकता है)।

प्रति इकाई क्षैतिज क्षेत्र में औसत गतिज ऊर्जा घनत्व Ekin}तरंग गति का } इसी प्रकार पाया जाता है:


 * $$\begin{align}

E_\text{kin} &= \overline{\int_{-h}^0 \tfrac12 \rho \left[ \left| \mathbf{U} + \mathbf{u}_x \right|^2 + u_z^2 \right]\, \mathrm{d}z} - \int_{-h}^0 \tfrac12 \rho \left| \mathbf{U} \right|^2\, \mathrm{d}z \\[6px] &= \tfrac14 \rho \frac{\sigma^2}{k \tanh k h}a^2, \end{align}$$ साथ $c_{p}$ आंतरिक आवृत्ति, तरंग मात्राओं की # तालिका देखें। फैलाव संबंध का उपयोग करते हुए, सतही गुरुत्व तरंगों का परिणाम है:


 * $$E_\text{kin} = \tfrac14 \rho g a^2.$$

जैसा कि देखा जा सकता है, औसत गतिज और संभावित ऊर्जा घनत्व बराबर हैं। यह एक रूढ़िवादी प्रणाली में प्रगतिशील रैखिक तरंगों की ऊर्जा घनत्व की एक सामान्य संपत्ति है। संभावित और गतिशील योगदान जोड़ना, $ω^{2} = Ω^{2}(k)$ और $ρ′$, प्रति इकाई क्षैतिज क्षेत्र में औसत ऊर्जा घनत्व E}तरंग गति का } है:


 * $$E = E_\text{pot} + E_\text{kin} = \tfrac12 \rho g a^2.$$

सतह तनाव प्रभाव नगण्य नहीं होने की स्थिति में, उनका योगदान संभावित और गतिज ऊर्जा घनत्व में भी जुड़ जाता है, जिससेफिलिप्स (1977), पृ. 38.


 * $$ E_\text{pot} = E_\text{kin} = \tfrac14 \left( \rho g + \gamma k^2 \right) a^2, $$

इसलिए
 * $$ E = E_\text{pot} + E_\text{kin} = \tfrac12 \left( \rho g + \gamma k^2 \right) a^2, $$

साथ $c_{g}$ पृष्ठ तनाव।

वेव एक्शन, वेव एनर्जी फ्लक्स और रेडिएशन स्ट्रेस
सामान्य तौर पर, तरंग गति और माध्य द्रव गति के बीच ऊर्जा का स्थानांतरण हो सकता है। इसका अर्थ है, कि तरंग ऊर्जा घनत्व सभी मामलों में एक संरक्षित मात्रा (उपेक्षा अपव्यय) नहीं है, लेकिन कुल ऊर्जा घनत्व - तरंग गति के प्रति इकाई क्षेत्र में ऊर्जा घनत्व और औसत प्रवाह गति का योग है। हालांकि, धीरे-धीरे बदलती तरंग ट्रेनों के लिए है, धीरे-धीरे अलग-अलग बाथिमेट्री और माध्य-प्रवाह क्षेत्रों में प्रचार, एक समान और संरक्षित तरंग मात्रा, तरंग क्रिया (निरंतर यांत्रिकी) $ρ′$: फिलिप्स (1977), पृ. 26.
 * $$\frac{\partial \mathcal{A}}{\partial t} + \nabla\cdot\left[ \left(\mathbf{U}+\mathbf{c}_g\right) \mathcal{A}\right] = 0,$$

साथ $ρ > ρ′$ कार्रवाई प्रवाह और $h′$ समूह वेग वेक्टर। क्रिया संरक्षण कई पवन तरंग मॉडल और तरंग विक्षोभ मॉडल के लिए आधार बनाता है। यह वेव शोलिंग की गणना के लिए तटीय इंजीनियरिंग मॉडल का आधार भी है। उपरोक्त तरंग क्रिया संरक्षण समीकरण का विस्तार तरंग ऊर्जा घनत्व के लिए निम्नलिखित विकास समीकरण की ओर ले जाता है:फिलिप्स (1977), पृ. 66.


 * $$\frac{\partial E}{\partial t} + \nabla\cdot\left[\left( \mathbf{U}+\mathbf{c}_g\right) E \right] + \boldsymbol{S}:\left(\nabla\mathbf{U}\right) = 0,$$

साथ: गैर-संरक्षण रूप में इस समीकरण में, फ्रोबेनियस आंतरिक उत्पाद $ρ′$ माध्य प्रवाह के साथ तरंग गति के ऊर्जा विनिमय का वर्णन करने वाला स्रोत शब्द है। केवल मामले में कि औसत कतरनी-दर शून्य है, $k = 2π⁄λ$, माध्य तरंग ऊर्जा घनत्व $γ$ संरक्षित है। दो टेंसर $g$ और $c_{p} = Ω(k)⁄k$ फॉर्म के कार्टेशियन समन्वय प्रणाली में हैं:
 * $h′$ माध्य तरंग ऊर्जा घनत्व प्रवाह है,
 * $∂Ω⁄∂k$ विकिरण तनाव   टेन्सर  है और
 * $ρ′$ माध्य-वेग अपरूपण दर टेन्सर है।

\begin{align} \boldsymbol{S} &= \begin{pmatrix} S_{xx} & S_{xy} \\ S_{yx} & S_{yy} \end{pmatrix} = \boldsymbol{I} \left( \frac{c_g}{c_p} - \frac12 \right) E   + \frac{1}{k^2} \begin{pmatrix} k_x k_x & k_x k_y \\[2ex] k_y k_x & k_y k_y \end{pmatrix} \frac{c_g}{c_p} E,  \\[6px] \boldsymbol{I} &= \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \\[6px] \nabla \mathbf{U} &= \begin{pmatrix} \displaystyle \frac{\partial U_x}{\partial x} & \displaystyle \frac{\partial U_y}{\partial x}     \\[2ex] \displaystyle \frac{\partial U_x}{\partial y} & \displaystyle \frac{\partial U_y}{\partial y}   \end{pmatrix}, \end{align} $$ साथ $ρ$ और $ρ$ वेवनंबर वेक्टर के घटक $coth$ और इसी तरह $h$ और $ρ$ माध्य वेग सदिश के घटक $ρ′$.

वेव मास फ्लक्स और वेव मोमेंटम
प्रति इकाई क्षेत्र में औसत क्षैतिज गति $d(x)$ तरंग गति से प्रेरित - और तरंग प्रेरित द्रव्यमान प्रवाह या जन परिवहन घटना (इंजीनियरिंग और भौतिकी) - है:


 * $$\begin{align}

\mathbf{M} &= \overline{\int_{-h}^\eta \rho \left( \mathbf{U}+\mathbf{u}_x\right)\, \mathrm{d}z} - \int_{-h}^0 \rho \mathbf{U}\, \mathrm{d}z \\[6px] &= \frac{E}{c_p} \mathbf{e}_k, \end{align}$$ जो आवधिक प्रगतिशील जल तरंगों के लिए एक सटीक परिणाम है, जो अरैखिक तरंगों के लिए भी मान्य है। हालांकि, इसकी वैधता दृढ़ता से इस बात पर निर्भर करती है कि तरंग गति और द्रव्यमान प्रवाह को कैसे परिभाषित किया जाता है। जॉर्ज गेब्रियल स्टोक्स ने पहले से ही आवधिक अरैखिक तरंगों के लिए चरण वेग की दो संभावित परिभाषाओं की पहचान की है: *वेव फेज वेलोसिटी (S1) की स्टोक्स की पहली परिभाषा - लैग्रेंगियन और यूलेरियन माध्य के साथ सभी उन्नयन के लिए शून्य के बराबर निर्देशांक $a$' वेव क्रेस्ट (भौतिकी) के नीचे, और तरंग गति के बीच उपरोक्त संबंध $z = −d$ और तरंग ऊर्जा घनत्व $λ$ स्टोक्स की पहली परिभाषा के दायरे में मान्य है।
 * वेव सेलेरिटी (S2) की स्टोक्स दूसरी परिभाषा - शून्य के बराबर औसत जन परिवहन के साथ।

हालांकि, एक तट रेखा या बंद प्रयोगशाला तरंग चैनल में लंबवत तरंगों के लिए, दूसरी परिभाषा (S2) अधिक उपयुक्त है। दूसरी परिभाषा का उपयोग करते समय इन तरंग प्रणालियों में शून्य द्रव्यमान प्रवाह और गति होती है। इसके विपरीत, स्टोक्स की पहली परिभाषा (S1) के अनुसार, तरंग प्रसार दिशा में एक तरंग-प्रेरित द्रव्यमान प्रवाह होता है, जिसे एक माध्य प्रवाह द्वारा संतुलित किया जाना होता है। $E_{pot}$ विपरीत दिशा में - उपक्रम (तरंग क्रिया)  कहा जाता है।

तो सामान्य तौर पर, इसमें कुछ सूक्ष्मताएँ शामिल होती हैं। इसलिए भी तरंग संवेग के स्थान पर तरंगों के छद्म संवेग का प्रयोग किया जाता है।

द्रव्यमान और संवेग विकास समीकरण
धीरे-धीरे अलग-अलग बाथिमेट्री, वेव और मीन-फ्लो फील्ड के लिए, मीन फ्लो के विकास को मीन मास-ट्रांसपोर्ट वेलोसिटी के संदर्भ में वर्णित किया जा सकता है। $E_{pot}$ के रूप में परिभाषित:


 * $$\tilde{\mathbf U} = \mathbf{U} + \frac{\mathbf{M}}{\rho h}.$$

ध्यान दें कि गहरे पानी के लिए, जब औसत गहराई $k$ अनंत तक जाता है, माध्य ऑयलेरियन वेग $E_{kin}$ और मतलब परिवहन वेग $\mathcal{A} = E⁄σ$ बराबर हो जाओ।

सामूहिक संरक्षण के लिए समीकरण है:


 * $$ \frac{\partial}{\partial t}\left( \rho h \right) + \nabla \cdot \left( \rho h\tilde{\mathbf{U}} \right)  = 0,$$

कहाँ $(U + c_{g}) \mathcal{A}$ पानी की औसत गहराई है, जो अंतरिक्ष और समय में धीरे-धीरे बदलती रहती है।

इसी तरह, औसत क्षैतिज गति इस प्रकार विकसित होती है:


 * $$ \frac{\partial}{\partial t}\left( \rho h \tilde{\mathbf{U}}\right)  + \nabla \cdot \left( \rho h \tilde{\mathbf{U}} \otimes \tilde{\mathbf{U}} + \tfrac12\rho gh^2\boldsymbol{I} + \boldsymbol{S} \right)   = \rho g h \nabla d,$$

साथ $g$ शांत पानी की गहराई (समुद्र तल पर है $c_{g} = c_{g}e_{k}$), $c_{p}$ तरंग विकिरण-तनाव टेंसर है, $h$ पहचान मैट्रिक्स है और $(U + c_{g})E$ डाइडिक उत्पाद है:


 * $$ \tilde{\mathbf{U}} \otimes \tilde{\mathbf{U}} =

\begin{pmatrix} \tilde{U}_x \tilde{U}_x & \tilde{U}_x \tilde{U}_y \\ \tilde{U}_y \tilde{U}_x & \tilde{U}_y \tilde{U}_y \end{pmatrix}.$$ ध्यान दें कि औसत क्षैतिज गति केवल तभी संरक्षित होती है जब समुद्र तल क्षैतिज (अभी भी पानी की गहराई) हो $ρ$ एक स्थिरांक है), नोएदर के प्रमेय के अनुसार।

तरंगों के विवरण के माध्यम से समीकरणों की प्रणाली बंद हो जाती है। तरंग-क्रिया संरक्षण समीकरण के माध्यम से तरंग ऊर्जा प्रसार का वर्णन किया गया है (बिना अपव्यय और अरैखिक तरंग अंतःक्रियाओं के):


 * $$ \frac{\partial}{\partial t} \left( \frac{E}{\sigma} \right)  + \nabla \cdot \left[ \left( \mathbf{U} +\mathbf{c}_g \right) \frac{E}{\sigma} \right]  = 0.$$

वेव कीनेमेटीक्स को वेव-क्रेस्ट संरक्षण समीकरण के माध्यम से वर्णित किया गया है:
 * $$\frac{\partial \mathbf{k}}{\partial t} + \nabla \omega = \mathbf{0},$$

कोणीय आवृत्ति के साथ $h$ (कोणीय) तरंग संख्या का एक कार्य $∇U$, फैलाव (जल तरंगों) के माध्यम से संबंधित। यह संभव हो सके, इसके लिए तरंग क्षेत्र का सुसंगति (भौतिकी) होना आवश्यक है। वेव-क्रेस्ट संरक्षण के कर्ल (गणित) को लेने से, यह देखा जा सकता है कि प्रारंभिक रूप से इर्रोटेशनल वेवनंबर फील्ड इरोटेशनल रहता है।

स्टोक्स बहाव
शुद्ध तरंग गति में एक कण का अनुसरण करते समय ($S : (∇U)$), रेखीय हवादार तरंग सिद्धांत के अनुसार, पहला सन्निकटन पानी के कणों के लिए बंद अण्डाकार कक्षाएँ देता है। हालांकि, गैर-रैखिक तरंगों के लिए, कण स्टोक्स के बहाव को प्रदर्शित करते हैं, जिसके लिए हवादार तरंग सिद्धांत के परिणामों से एक दूसरे क्रम की अभिव्यक्ति प्राप्त की जा सकती है (द्वितीय-क्रम तरंग गुणों की तालिका देखें। द्वितीय-क्रम तरंग गुणों पर तालिका देखें)। स्टोक्स बहाव वेग $∇U = 0$, जो आवधिक फलन द्वारा विभाजित एक तरंग चक्र के बाद कण बहाव है, का अनुमान रैखिक सिद्धांत के परिणामों का उपयोग करके लगाया जा सकता है:


 * $$\bar{\mathbf{u}}_S = \tfrac12 \sigma k a^2 \frac{\cosh 2k(z+h)}{\sinh^2 kh} \mathbf{e}_k,$$

इसलिए यह ऊंचाई के कार्य के रूप में भिन्न होता है। दिया गया सूत्र स्टोक्स के लिए तरंग गति की पहली परिभाषा है। कब $∇U$ इंटीग्रल ओवर डेप्थ है, मीन वेव मोमेंटम के लिए एक्सप्रेशन $k$ बरामद हुआ है।

यह भी देखें

 * Boussinesq सन्निकटन (जल तरंगें) - लहरों और उथले पानी में तरंगों के लिए अरैखिक सिद्धांत।
 * केशिका तरंग - सतही तनाव की क्रिया के तहत सतह तरंगें
 * नोइडल तरंग - उथले पानी में अरैखिक आवधिक तरंगें, कोर्तवेग-डी वेरी समीकरण के समाधान
 * हल्के-ढलान समीकरण - अलग-अलग गहराई पर सतह तरंगों का अपवर्तन और विवर्तन
 * समुद्र की सतह की लहरें - समुद्र और समुद्र में दिखाई देने वाली वास्तविक जल तरंगें
 * स्टोक्स तरंग - गैर-उथले पानी में गैर-रैखिक आवधिक तरंगें
 * तरंग शक्ति - बिजली उत्पादन के लिए समुद्र और समुद्र की लहरों का उपयोग करना।

ऐतिहासिक

 * इसके अलावा: त्रिकोणमिति, ऑन द फिगर ऑफ द अर्थ, टाइड एंड वेव्स, 396 पीपी।
 * {{cite journal | first=G. G. | last=Stokes | author-link=George Gabriel Stokes | year= 1847 | title= दोलन तरंगों के सिद्धांत पर| journal= Transactions of the Cambridge Philosophical Society | volume= 8 | pages= 441–455 } इसमें पुनर्मुद्रित:

अग्रिम पठन

 * Two parts, 967 pages.
 * Originally published in 1879, the 6th extended edition appeared first in 1932.
 * 504 pp.
 * Originally published in 1879, the 6th extended edition appeared first in 1932.
 * 504 pp.
 * 504 pp.

बाहरी संबंध

 * Linear theory of ocean surface waves on WikiWaves.
 * Water waves at MIT.