Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
V fizike ispol'zuyut ponyatie plotnosti potoka energii, opredelyaemoi kolichestvom energii, perenosimoi volnoi za edinicu vremeni cherez edinichnuyu ploshadku, perpendikulyarnuyu napravleniyu rasprostraneniya volny. Soglasno (4.57), eta plotnost' ravna
![]() | (4.58) |
i imeet razmernost' [J] = Dzh/(m2*s).
Esli ploshadka imeet ploshad' a ee normal'
sostavlyaet s napravleniem
rasprostraneniya volny (os'yu Oh) ugol
(ris. 4.20), to kolichestvo
energii, perenosimoe volnoi cherez etu ploshadku za edinicu vremeni (potok
energii) raven
![]() | (4.59) |
![]() |
Ris. 4.20. |
Professorom MGU N.A. Umovym v 1874 g. byl vveden vektor plotnosti potoka energii
![]() | (4.60) |
poluchivshii nazvanie vektora Umova. S ego ispol'zovaniem potok mozhet
byt' zapisan v vide
![]() | (4.61) |
gde
S podobnym predstavleniem potoka vektora skorosti my vstrechalis' pri izuchenii dvizheniya zhidkostei.
Udobstvo vektora Umova stanovitsya osobenno oshutimym, kogda volna
rasprostranyaetsya v trehmernom prostranstve. Togda potok energii cherez
proizvol'nuyu poverhnost' vyrazhaetsya v vide integrala po etoi poverhnosti:
![]() | (4.62) |
Poslednyaya formula budet ispol'zovana nizhe.
Podschitaem srednee znachenie za period vektora Umova dlya begushei vdol' sterzhnya poperechnoi garmonicheskoi volny
![]() | (4.63) |
Ob'emnaya plotnost' energii (summa potencial'noi i kineticheskoi energii) ravna
![]() | (4.64) |
V nekotoryi moment vremeni ona raspredelena vdol' sterzhnya tak, kak pokazano
na ris. 4.21. S techeniem vremeni eto raspredelenie smeshaetsya vdol' osi Oh so
skorost'yu Plotnost' potoka energii cherez lyuboe sechenie x = const budet
periodicheski vozrastat' ot nulya do maksimal'noi velichiny
Poetomu udobno pol'zovat'sya srednim znacheniem
za period
Eta velichina nazyvaetsya intensivnost'yu begushei volny i
ravna
![]() | (4.65) |
Vazhno otmetit', chto intensivnost' proporcional'na kvadratu amplitudy.
![]() |
Ris. 4.21. |
V stoyachei volne net perenosa energii, t. k. ona yavlyaetsya superpoziciei dvuh
begushih voln, perenosyashih odinakovoe kolichestvo energii v protivopolozhnyh
napravleniyah. Odnako, lokal'noe dvizhenie energii v ogranichennom prostranstve
mezhdu sosednimi uzlami vse zhe proishodit. V samom dele, zapishem uravnenie
stoyachei volny (4.34), opustiv v nem postoyannye fazovye dobavki :
![]() | (4.66) |
Ob'emnaya plotnost' energii deformacii sdviga ravna:
![]() | (4.67) |
a ob'emnaya plotnost' kineticheskoi energii vyrazhaetsya kak:
![]() | (4.68) |
poskol'ku
Lokal'noe dvizhenie energii naglyadno demonstriruet ris. 4.22, na kotorom
pokazan fragment stoyachei volny v momenty vremeni i
(a) i sootvetstvuyushie raspredeleniya
(b) i
(v).
![]() |
Ris. 4.22. |
Vidno, chto pri kogda elementy sterzhnya prohodyat polozhenie
ravnovesiya i imeyut maksimal'nye skorosti, deformaciya otsutstvuet
a vsya energiya zapasena v vide kineticheskoi energii
i
lokalizovana vblizi puchnosti. Odnako cherez chetvert' perioda kolebanii
chasticy sterzhnya smestyatsya na maksimal'nye rasstoyaniya i ostanovyatsya
Energiya budet zapasena v vide potencial'noi energii
i
lokalizovana vblizi uzlov. Eto oznachaet, chto energiya iz oblasti vblizi
puchnosti za chetvert' perioda kolebanii peretekaet v obe storony po
napravleniyu k uzlam. Zatem ona dvizhetsya v obratnom napravlenii, i etot
process povtoryaetsya mnogokratno. Potok energii cherez uzly otsutstvuet.
Srednee za period znachenie potoka energii cherez lyuboe sechenie x = const
budet ravno nulyu
Prodol'nye volny.
Takie volny mogut byt' vozbuzhdeny udarom molotka po odnomu
iz torcov uprugogo sterzhnya. Vozmushenie, rasprostranyayusheesya vdol' sterzhnya,
vizual'no nezametno, odnako osnovnye zakonomernosti takogo volnovogo
processa mozhno smodelirovat', esli vmesto sterzhnya ispol'zovat' dlinnuyu
pruzhinu s bol'shim diametrom vitkov (ris. 4.23). Esli etu pruzhinu podvesit'
gorizontal'no na neskol'kih nityah (ne pokazannyh na risunke) i rezko udarit'
ladon'yu po levomu torcu, to po nei pobezhit impul's szhatiya s nekotoroi
skorost'yu Na ris. 4.23a etot impul's imeet dlinu
(
- dlitel'nost' impul'sa, ravnaya dlitel'nosti udara). Dobezhav do
pravogo konca pruzhiny, on otrazitsya, pri etom, esli konec zakreplen (ris.
4.23b), to otrazhennyi impul's budet takzhe impul'som szhatiya. Esli pravyi
konec svoboden, to otrazhennyi impul's budet impul'som rastyazheniya (ris.
4.23v). On voznikaet v moment smesheniya vpravo svobodnogo konca pruzhiny,
kogda do nego dobezhit impul's szhatiya. Eta situaciya napominaet smeshenie
svobodnogo konca shnkrv. Otmetim, chto v rassmotrennom sluchae smesheniya vitkov
pruzhiny proishodyat vdol' napravleniya rasprostraneniya volny, poetomu volna
nazyvaetsya prodol'noi.
![]() |
Ris. 4.23. |
Rassmotrim teper' rasprostranenie impul'sov szhatiya i rastyazheniya v sterzhne.
Myslenno razob'em sterzhen' na ryad elementov dlinoi kazhdyi. Pri
rasprostranenii prodol'noi volny koncy kazhdogo elementa, otmechennye na ris.
4.24 sploshnymi liniyami, budut smesheny v novye polozheniya, otmechennye
punktirom. Eti smesheniya s budem schitat' polozhitel'nymi, esli oni proishodyat
v polozhitel'nom napravlenii osi Oh, i otricatel'nymi - v protivopolozhnom
sluchae.
![]() |
Ris. 4.24. |
Pust' levyi konec nekotorogo elementa, imeyushii koordinatu h, smestilsya v
dannyi moment vremeni na rasstoyanie
a pravyi konec - na
Deformaciya rastyazheniya (szhatiya) opredelyaetsya otnositel'nym udlineniem
elementa
:
![]() | (4.69) |
Otmetim, deformacii rastyazheniya sootvetstvuet a szhatiya -
V otlichie ot poperechnoi volny, pri rastyazhenii (szhatii) umen'shaetsya
(uvelichivaetsya) plotnost' sredy Ee mozhno predstavit' v vide
![]() | (4.70) |
Zdes' - malaya dobavka k ravnovesnoi plotnosti
prichem
mozhet byt' kak polozhitel'noi, tak i otricatel'noi. S
uchetom postoyanstva massy deformiruemogo elementa
mozhem zapisat'
![]() | (4.71) |
Raskryvaya skobki i prenebregaya maloi velichinoi nahodim
![]() | (4.72) |
Spustya nekotoroe vremya posle udara po torcu sterzhnya (ili posle rezkogo
ottyagivaniya etogo torca) raspredelenie smeshenii
deformacii
i vozmushenii plotnosti
v begushih impul'sah szhatiya i
rastyazheniya budut imet' vid, pokazannyi na ris. 4.25. Punktirom pokazany
raspredeleniya vseh velichin v odin iz posleduyushih momentov vremeni.
![]() |
Ris. 4.25. |
Uravnenie volny, begushei vdol' osi Oh, v oboih sluchayah imeet vid Po analogii s (4.54) deformaciya
i kolebatel'naya skorost'
elementa
svyazany sootnosheniem
![]() | (4.73) |
Podcherknem, chto v impul'se szhatiya skorost'
sovpadaet
po napravleniyu so skorost'yu
a v impul'se rastyazheniya oni imeyut
protivopolozhnye napravleniya.
Rasschitaem skorost' rasprostraneniya prodol'nyh voln. Na ris. 4.26 izobrazhen
fragment sterzhnya i pokazan ego element k koncam kotorogo prilozheny
normal'nye napryazheniya
Uravnenie dvizheniya elementa s
poperechnym secheniem ravnym
imeet vid:
![]() | (4.74) |
gde Chtoby (4.74) preobrazovat' k volnovomu uravneniyu,
neobhodimo svyazat' napryazheniya
s deformaciyami elementov
sterzhnya. Naibolee prosto eto mozhno sdelat' dlya tonkogo sterzhnya.
![]() |
Ris. 4.26. |
Skorost' voln v tonkom sterzhne.
Esli sterzhen' tonkii, to deformacii i napryazheniya vdol' koordinaty h svyazany izvestnym zakonom Guka:
![]() | (4.75) |
gde - modul' Yunga.
Podstavlyaya (4.75) v (4.74) i proizvodya delenie na poluchaem
volnovoe uravnenie:
![]() | (4.76) |
Skorost' prodol'nyh voln poluchaetsya ravnoi
![]() | (4.77) |
Eta skorost' prevyshaet skorost' poperechnyh voln (sm. formulu (4.49)),
poskol'ku Po poryadku velichiny obe skorosti sovpadayut i dlya
razlichnyh materialov preimushestvenno lezhat v diapazone
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|