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
Lekciya 6
Volny na poverhnosti zhidkosti. Gravitacionnye volny. Kapillyarnye volny. Cunami. Vnutrennie volny. Akusticheskie volny bol'shoi amplitudy. Lineinyi i nelineinyi rezhimy rasprostraneniya. Uedinennye volny (solitony).
Volny na poverhnosti zhidkosti. Gravitacionnye volny.
Mnogie iz nas mogut dolgo lyubovat'sya poverhnost'yu morya ili reki, po kotoroi perekatyvayutsya volny. Rozhdennye vetrom, oni rasprostranyayutsya zatem za schet sily tyazhesti. Takie volny nazyvayutsya gravitacionnymi. Chasticy vody sovershayut v nih dvizhenie po krugovym i ellipticheskim traektoriyam ("vverh - vniz" i "vpered - nazad" odnovremenno), poetomu takie volny (kak i volny Lyava) nel'zya otnesti ni k prodol'nym, ni k poperechnym. Gravitacionnye volny obladayut ryadom udivitel'nyh svoistv, k analizu kotoryh my i pristupim.
Pust' po poverhnosti vodoema glubinoi rasprostranyaetsya vdol' osi Ox
poverhnostnaya garmonicheskaya volna
![]() | (6.1) |
gde - smeshenie poverhnosti vody vverh ot ravnovesnogo gorizontal'nogo
polozheniya, otmechennogo na ris. 6.1 punktirom. Budem schitat', chto
![]() |
Ris. 6.1. |
Predpolozhim, chto davlenie zhidkosti na glubine ravno:
![]() | (6.2) |
gde - dobavka k gidrostaticheskomu davleniyu
obuslovlennaya volnovym dvizheniem poverhnosti. Sdelaem takzhe predpolozhenie,
chto
![]() | (6.3) |
Vyrazhenie (6.3) zapisano v priblizhenii, chto vozmushenie davleniya vblizi
poverhnosti opredelyaetsya dopolnitel'nym gidrostaticheskim
davleniem
svyazannym s izmeneniem urovnya zhidkosti pri
rasprostranenii volny:
![]() | (6.4) |
prichem s glubinoi eto vozmushenie dolzhno ubyvat'. Sledovatel'no, funkciya
s rostom
takzhe dolzhna ubyvat', pri etom
Pozzhe my
dokazhem, chto predstavlenie vozmusheniya davleniya v vide (6.3) opravdanno.
Dlya opisaniya volnovogo dvizheniya zhidkosti nam neobhodimo, vo-pervyh, dlya
zadannoi chastoty naiti
to est' ustanovit' dispersionnuyu
zavisimost'
i, vo-vtoryh, opredelit' vid funkcii
Eto mozhno sdelat', esli s uchetom (6.2) zapisat' uravneniya Eilera dlya
dvizheniya neszhimaemoi i nevyazkoi zhidkosti v ploskosti XOZ (sm. uravnenie
(3.30) v lekcii po gidrodinamike):
![]() | (6.5) |
Pri zapisi (6.5) my predpolagaem, chto dvizhenie chastic po osi Oy otsutstvuet.
Uchtem dalee, chto chlenami i
v silu ih malosti mozhno prenebrech'. Togda poluchaem
![]() | (6.6) |
Eti uravneniya dopolnim usloviem neszhimaemosti:
![]() | (6.7) |
Uravneniya (6.6) i (6.7) pri zadannyh granichnyh usloviyah dayut vozmozhnost'
rasschitat' i
i, tem samym, poluchit' reshenie
zadachi o dvizhenii zhidkosti, vklyuchaya dvizhenie ee poverhnosti.
Prodifferenciruem pervoe iz uravnenii (6.6) po a vtoroe - po
:
![]() | (6.8) |
V levyh chastyah etoi sistemy uravnenii izmenen poryadok differencirovaniya.
Slozhim teper' uravneniya (6.8). Togda s uchetom (6.7) mozhem zapisat':
![]() | (6.9) |
Uravnenie
![]() | (6.10) |
yavlyaetsya znamenitym uravneniem Laplasa, ispol'zuemym vo mnogih razdelah fiziki. Poetomu ego reshenie horosho izvestno.
Na poverhnosti vodoema pri granichnym usloviem yavlyaetsya ravenstvo
(6.4), a na dne pri
dolzhno vypolnyat'sya uslovie
iz
kotorogo s uchetom vtorogo uravneniya (6.6) poluchaem:
![]() | (6.11) |
Podstavim dalee (6.3) v (6.10) i uchtem, chto
Togda (6.10) primet vid:
![]() | (6.12) |
S metodom resheniya takih uravnenii my poznakomilis' v lekciyah po kolebaniyam.
Ispol'zuya podstanovku poluchaem harakteristicheskoe
uravnenie
otkuda
i
obshee reshenie (6.12) mozhet byt' zapisano v vide funkcii:
![]() | (6.13) |
pri etom granichnye usloviya dlya sleduyushie:
![]() | (6.14) |
Podstavlyaya (6.13) v (6.14), poluchaem:
![]() | (6.15) |
Otsyuda
![]() | (6.16) |
gde funkciya
-giperbolicheskii kosinus.
Grafik funkcii izobrazhen na ris. 6.2. Teper' ostalos' tol'ko
opredelit' volnovoe chislo
vhodyashee v (6.1) i (6.3). Eto mozhno sdelat',
esli snachala iz (6.1) naiti vertikal'noe uskorenie chasticy na poverhnosti
zhidkosti. Pri etom nado uchest', chto polozhitel'nye znacheniya
sootvetstvuyut umen'sheniyu
:
![]() | (6.17) |
![]() |
Ris. 6.2. |
Podstavim (6.17) v levuyu chast' vtorogo uravneniya (6.6), a pravuyu chast' etogo uravneniya zapishem, ispol'zuya predstavlenie (6.3). Togda poluchim
![]() | (6.18) |
V (6.18) uchteno, chto Poetomu dispersionnoe sootnoshenie poluchaetsya v vide:
![]() | (6.19) |
Oboznachim Togda
![]() | (6.20) |
Na ris. 6.3 eta zavisimost' izobrazhena sploshnoi liniei, a punktirom pokazana
pryamaya Fazovaya skorost' volny
kak
funkciya volnovogo chisla pokazana na ris. 6.4.
![]() | ![]() |
Ris. 6.3. | Ris. 6.4. |
Takim obrazom, poverhnostnye gravitacionnye volny podverzheny sil'noi
dispersii. Effekt dispersii yarko vyrazhen u okeanskih voln, zarozhdayushihsya v
udalennyh shtormovyh raionah. Poskol'ku dlinnye volny (s men'shim ) dvizhutsya
bystree, chem korotkie, to oni prihodyat k beregam ran'she korotkih na 1-2
dnya.
Effekt dispersii mozhet ispol'zovat'sya pri opredelenii mesta vozniknoveniya voln, proshedshih do tochki nablyudeniya chrezvychaino bol'shie rasstoyaniya. Rasstoyanie ot shtormovogo raiona do mesta, gde volny fiksiruyut, podschityvaetsya po raznosti vremen pribytiya voln raznoi dliny volny i, sledovatel'no, raznoi chastoty. Preobladayushaya chastota pribyvayushih voln rastet vo vremeni, a dlina proidennogo puti nahoditsya po skorosti izmeneniya chastoty. Tak, po ocenke, odin iz paketov voln, nablyudavshihsya v severnoi chasti Tihogo okeana, proshel polovinu okruzhnosti zemnogo shara ot Indiiskogo okeana po duge bol'shogo kruga, prohodyashei yuzhnee Avstralii.
Real'nye volny, kak uzhe govorilos' ran'she, predstavlyayut soboi superpoziciyu
voln, ili volnovye pakety, kotorye dvizhutsya s gruppovoi skorost'yu Skorost'
gruppy men'she, chem skorosti
kazhdoi
iz voln v gruppe. Esli rassmatrivat' otdel'nuyu volnu, to mozhno videt', chto
ona peremeshaetsya bystree, chem gruppa. Pri dostizhenii fronta gruppy ona
zatuhaet, a ee mesto zanimayut volny, dogonyayushie gruppu s tyla.
Fazovaya skorost' volny c, kak sleduet iz (6.20), zavisit ot parametra Poetomu razlichayut volny glubokoi i melkoi vody.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|