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
Skorost' voln v tolstom sterzhne.
Pust' vdol' osi tolstogo sterzhnya (osi h) rasprostranyaetsya prodol'naya volna, pri etom koleblyutsya elementy sterzhnya, nahodyashiesya vblizi ego osi.
Odin iz takih elementov pokazan na ris. 4.27. Pod deistviem normal'nogo napryazheniya otnositel'noe udlinenie opredelyaetsya pervym uravneniem (1.27), privedennym v lekcii po deformacii tverdogo tela:
(4.78) |
Eto uravnenie otrazhaet tot fakt, chto pri udlinenii elementa izobrazhennogo na ris. 4.27, ploshad' ego poperechnogo secheniya umen'shaetsya (svyaz' prodol'noi i poperechnoi deformacii opredelyaetsya koefficientom Puassona ). Etot element potyanet k osi sterzhnya okruzhayushie ego elementy, razvivaya napryazheniya i Eti elementy (lezhashie mezhdu ploskostyami x = const i x + dx = const) nachnut prihodit' v dvizhenie: snachala - nahodyashiesya vblizi osi sterzhnya, a zatem i elementy, blizkie k poverhnosti. Cherez vremya ( - poperechnyi razmer sterzhnya, s - skorost' rasprostraneniya vozmusheniya) vse elementy smestyatsya, i napryazheniya i ischeznut.
Ris. 4.27. |
Esli dlitel'nost' impul'sa, rasprostranyayushegosya vdol' osi sterzhnya, velika, tak chto to v (4.78) mozhno ne uchityvat' i Skorost' takogo dlinnogo impul'sa budet opredelyat'sya formuloi (4.77). Takoi rezhim mozhno realizovat', esli
(4.79) |
Uslovie (4.79) oznachaet, chto poperechnyi razmer sterzhnya znachitel'no men'she dliny impul'sa. Takoi sterzhen' mozhno schitat' tonkim. Esli rech' idet o garmonicheskoi volne, rasprostranyayusheisya vdol' sterzhnya, to uslovie (4.79) imeet vid
(4.80) |
gde - dlina volny, - period kolebanii. Tak, naprimer, dlya stal'nogo sterzhnya Pri chastote poetomu sterzhni s poperechnym razmerom mogut schitat'sya tonkimi.
Esli dlitel'nosti impul'sa (sterzhen' tolstyi), to v (4.78) sleduet uchest' i . Chtoby naiti svyaz' i vmeste s uravneniem (4.78) zapishem analogichnye dlya i i slozhim vse tri uravneniya:
(4.81) |
Dlya kratkosti vykladok vvedem srednie znacheniya
Togda (4.81) perepishetsya v vide
(4.82) |
S uchetom (4.82) uravnenie (4.78) vidoizmenyaetsya:
(4.83) |
Esli polozhit' v tolstom sterzhne to i iskomaya svyaz' poluchitsya v vide:
(4.84) |
V etom sluchae svyaz' deformacii i napryazheniya opredelyaetsya kak modulem Yunga tak i sleduyushei funkciei koefficienta Puassona
(4.85) |
Legko ubedit'sya, chto pri lyubyh vozmozhnyh znacheniyah koefficienta Puassona Poetomu skorost' prodol'noi volny v etom sluchae
(4.86) |
prevyshaet skorost' volny v tonkom sterzhne. Velichinu obychno nazyvayut "modulem odnostoronnego rastyazheniya".
Otmetim, chto naibolee slozhen analiz dlya promezhutochnogo sluchaya, kogda Dlya voln s takoi dlinoi volny imeet mesto dispersiya (fazovaya skorost' garmonicheskoi volny zavisit ot ee chastoty). Raspredelenie amplitudy volny v poperechnom sechenii sterzhnya vdol' osei i analogichno raspredeleniyu amplitudy dlya shnura dlinoi so svobodnymi koncami pri normal'nom kolebanii. Sterzhen' v etom sluchae vypolnyaet rol' volnovoda. Pri ego plavnom izgibanii volna rasprostranyaetsya vdol' ego osi.
Prodol'nye volny perenosyat energiyu, i dlya nih spravedlivy vse rassuzhdeniya i vyvody, poluchennye dlya poperechnyh voln. Formal'no vo vse vyrazheniya dlya plotnosti energii vektora Umova i dr. sleduet vmesto modulya sdviga podstavit' modul' Yunga ili Predostavlyaem chitatelyu prodelat' eto samostoyatel'no.
Yavleniya na granice dvuh sred.
Rassmotrim podrobnee prohozhdenie prodol'noi volny cherez granicu razdela dvuh uprugih sred pri normal'nom padenii volny na etu granicu.
Pust' prodol'naya volna rasprostranyaetsya so skorost'yu v srede s modulem Yunga i ravnovesnoi plotnost'yu (ris. 4.28). Opyt pokazyvaet, chto eta volna na granice razdela dvuh sred ( na risunke) chastichno otrazhaetsya i chastichno prohodit vo vtoruyu sredu, kotoraya harakterizuetsya parametrami i Sledovatel'no, mozhem zapisat'
1-ya sreda | 2-ya sreda | (4.87) |
(padayushaya + otrazhennaya volna) | (proshedshaya volna) | |
Zdes' - chastota, i - amplitudy padayushei, otrazhennoi i proshedshei voln sootvetstvenno, i - sootvetstvuyushie volnovye chisla.
Ris. 4.28. |
Chtoby naiti sootnosheniya mezhdu amplitudami treh voln, opredelyayushie otrazhatel'nuyu i propuskatel'nuyu sposobnost' ("prozrachnost'") granicy razdela, zapishem dva usloviya, kotorye dolzhny vypolnyat'sya na granice razdela pri
Pervoe - eto uslovie nerazryvnosti veshestva:
(4.88) |
Vtoroe - ravenstvo napryazhenii:
(4.89) |
S uchetom (4.87) iz etih uslovii poluchaem:
(4.90) |
V akustike fundamental'nym yavlyaetsya ponyatie impedansa, ili udel'nogo volnovogo (akusticheskogo) soprotivleniya materiala. Eta velichina opredelyaetsya kak:
(4.91) |
Impedans legko mozhno vyrazit' cherez harakteristiki materiala, vospol'zovavshis' formuloi (4.73):
(4.92) |
Otsyuda
(4.93) |
S ispol'zovaniem etoi velichiny i vyrazhenii dlya i usloviya (4.90) primut vid:
(4.94) |
Otsyuda poluchaem iskomuyu svyaz' mezhdu amplitudami voln:
(4.95) |
Dlya prakticheskih celei pol'zuyutsya koefficientami otrazheniya i propuskaniya harakterizuyushimi otnoshenie intensivnostei otrazhennoi i proshedshei voln k intensivnosti padayushei volny. Eti koefficienty poluchayutsya iz (4.95) s uchetom (4.65):
(4.96) |
gde ispol'zovano to obstoyatel'stvo, chto intensivnost' begushei volny (sm. formulu (4.65))
(4.97) |
zavisit ne tol'ko ot amplitudy i chastoty no i proporcional'na akusticheskomu soprotivleniyu Sleduet otmetit', chto formuly (4.96) spravedlivy i dlya poperechnyh kolebanii.
Iz risunka 4.29, na kotorom izobrazheny zavisimosti (4.96), vidno, chto esli otrazheniya ne proishodit. Poetomu na praktike, kogda nado umen'shit' otrazhenie, starayutsya soglasovat' (sdelat' prakticheski odinakovymi) volnovye soprotivleniya dvuh sred.
Ris. 4.29. |
Zametim takzhe, chto pri kak v sluchae svobodnogo konca sterzhnya ( - soprotivlenie vozduha), ili (zakreplennyi konec), t.e. proishodit prakticheski polnoe otrazhenie volny, chto my i ispol'zovali vyshe pri rassmotrenii otrazheniya v etih predel'nyh sluchayah.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|