Clapotis

Es ist die perfekte Reflexion einer monochromatischen Welle an einer vertikalen Wand (Ufermauer) dargestellt. Die sich auf die Wand zu bewegende (ankommende) Welle (rot) wird ohne Phasensprung als gleichfrequente sich von der Mauer wegbewegende Welle (blau) reflektiert. Aus der Überlagerung der Wasserspiegelauslenkungen beider Wellen ergibt sich die Clapotis (schwarz) als stehende Welle.

Stromlinien einer Clapotis

Bei Wasserwellen wird unter Clapotis (aus dem Franz. für ‚Geplätscher‘) eine (perfekt) stehende Welle verstanden, die durch Reflexion einer fortschreitenden Welle (Wellenlänge L, Wellenhöhe H) an einer vertikalen Wand (Mole, Ufermauer) entsteht.

Hierbei wird von einem auf die Wand auftreffenden Wellenzug mit der Höhe H (vertikaler Abstand zwischen Wellental und Wellenberg) ein spiegelbildlicher Wellenzug zurückgeworfen. Die Überlagerung von ankommender und reflektierter Welle ergibt die Clapotis mit einer Wellenhöhe 2H und der Wellenlänge L. Wird der Abstand von der Wand mit der Koordinate x bezeichnet, liegen Schwingungsbäuche mit der Höhe 2H an den Stellen x = 0 (Wand), x = L/2, x = 2L/2 etc.

Dazwischen befinden sich Schwingungsknoten bei x = L/4, x = 3L/4, x = 5L/4 etc., wo keine Wasserspiegelauslenkung stattfindet. Die Schwingbewegungen der Wasserteilchen im Wellenfeld unter der Wellenoberfläche sind kurvolinear, an den Wellenbäuchen mit einer vertikalen und an den Schwingungsknoten mit einer horizontalen Tangente.

Die perfekte Reflexion stellt einen Idealfall dar. In der Natur sind in Bauwerksnähe die Randbedingungen für stabile Wellen allenfalls annähernd gegeben, denn an den Reflexionsflächen treten Verluste auf. Als Folge kommt es zur Ausbildung einer (gebrochenen) aufgerissenen Clapotis, einer (unvollkommenen) partiellen Clapotis oder einer Kombination von beiden. Bei überkritischer Wellensteilheit S = H/L kommt es im Sinne einer Resonanzkatastrophe zur aufgerissenen Clapotis, bei der das Wasser an den Schwingungsbäuchen vertikal nach oben schießt. An einer vertikalen Wand wird das Auftreten einer aufgerissenen Clapotis oft von Druckschlageffekten begleitet.

Partielle Clapotis an einer Uferböschung

Partielle Clapotis

Bei Vorliegen einer partiellen Clapotis findet am Bauwerk (Böschung) insbesondere durch den Vorgang des Wellenbrechens und durch die an der Bauwerksoberfläche auftretende reibungsbehaftete Waschbewegung (partielle) Wellenabsorption statt. Die Höhe der reflektierten Welle H_r ist kleiner als diejenige der ankommenden Welle H_i. Dieser Sachverhalt wird durch den Reflexionskoeffizienten C_r = H_r / H_i < 1 ausgedrückt. Werden monochromatische Wellen (mit H_i und H_r) vorausgesetzt, kann im Gegensatz zur perfekten Clapotis die Wasserteilchenbewegung im Wellenfeld der partiellen Clapotis durch elliptische Bahnen genähert werden. Solche sind in den Wellenbäuchen durch eine größere vertikale Hauptachse und in den Wellenknoten durch eine größere horizontaler Hauptachse gekennzeichnet. Die Überlagerung der anlaufenden mit der reflektierten Welle ergibt eine gleichfrequente partiell fortschreitende Welle, deren Höhe zwischen einem Maximalwert H_max = H_i + H_r und einem Minimalwert H_min = H_i − H_r schwankt. H_max und H_min ergeben sich jeweils im Abstand von L/4. Für den Fall, dass die Einhüllenden der Wellenberge und der Wellentäler bekannt sind, kann der Reflexionskoeffizient aus diesen Extremwerten bestimmt werden:

$C_\mathrm{r} = \frac{H_\mathrm{r}}{H_\mathrm{i}} = \frac{H_\mathrm{max} - H_\mathrm{min}}{H_\mathrm{max} + H_\mathrm{min}}$.

An ebenen steilen Uferböschungen (vergl. nebenstehendes Bild) kommt es beim Brechvorgang der Wellen nicht nur zur Reflexion und Dissipation, sondern auch zur Transmission. Im Verlauf des dissipativen Brechvorganges entsteht aus der sich mit der Phasengeschwindigkeit c_i fortpflanzenden Ursprungswelle der Wellenhöhe H_i als Transmissionswelle landseitig ein Wellenimpuls mit der Wellenhöhe H_t < H_i und der Fortschrittsgeschwindigkeit c_t < c_i. Gleichzeitig formt sich seeseitig eine reflektierte Welle mit der Wellenhöhe H_r < H_i. Entscheidend ist dabei, dass die positive Wasserspiegelauslenkung der transmittierten Übertragungswelle aus Gründen der Impulserhaltung örtlich eine negative Wasserspiegelauslenkung der Reflexionswelle erfordert. Somit kommt es bei der Überlagerung der anlaufenden und der reflektierten Welle zu einer partiellen Clapotis mit Phasensprung, wobei die Kinematik des Wellenbrechens (etwa in Form eines Sturzbrechers) nahe IP der Partikelbewegung in einem unvollkommenen Schwingungsknoten nahekommt.

Siehe auch

Reflexion (Wasserwellen), Brandungsresonanz, Wellenresonanz, Kreuzsee, Beckenschwingung