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:
|