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
Volny glubokoi vody.
Esli to takie volny nazyvayut volnami glubokoi vody. Vozmusheniya sosredotocheny v pripoverhnostnom sloe tolshinoi i ne "chuvstvuyut" prisutstviya dna. Dlya takih voln, s uchetom priblizheniya dispersionnoe sootnoshenie (6.19) primet vid:
(6.21) |
Takim obrazom, eti volny obladayut sil'noi dispersiei.
Sdelaem nekotorye ocenki. V okeane preobladayut volny s periodom kolebanii Soglasno (6.21) dlina volny a fazovaya skorost' Takaya skorost' yavlyaetsya tipichnoi, tak kak ona sovpadaet s harakternoi skorost'yu vetra vblizi poverhnosti, generiruyushego volny glubokoi vody.
Esli proanalizirovat' raspredelenie vozmushenii davleniya s glubinoi, opisyvaemoe funkciei (sm. (6.16)), to mozhno pokazat', chto pri Takim obrazom, priblizhenie glubokoi vody spravedlivo v teh mestah, gde glubina
Volny melkoi vody.
Pri priblizhenii k beregu glubina umen'shaetsya, i realizuetsya uslovie Hotya chastota volny ostaetsya prezhnei, odnako dispersionnoe sootnoshenie primet inoi vid:
(6.22) |
iz kotorogo sleduet, chto na melkoi vode dispersiya voln otsutstvuet. Skorost' voln umen'shaetsya s glubinoi, i na glubine skorost' a dlina volny pri ravna
V neposredstvennoi blizosti k beregu, gde glubina sravnima s amplitudoi volny volna iskazhaetsya - poyavlyayutsya krutye grebni, kotorye dvizhutsya bystree samoi volny i zatem oprokidyvayutsya. Eto proishodit potomu, chto glubina pod grebnem ravna i prevoshodit glubinu pod vpadinoi V rezul'tate kolebaniya chastic volny priobretayut slozhnyi harakter. Po analogii so zvukami muzykal'nyh instrumentov, oscillogrammy kotoryh pokazany v predydushei lekcii, mozhno skazat', chto kolebaniya chastic vody yavlyayutsya superpoziciei kolebanii mnogih chastot, prichem po mere priblizheniya k beregu shirina chastotnogo spektra uvelichivaetsya. S podobnym iskazheniem akusticheskih voln my vstretimsya neskol'ko pozdnee, kogda budem izuchat' nelineinoe rasprostranenie voln konechnoi amplitudy.
Iz privedennoi vyshe klassifikacii gravitacionnyh voln sleduet, chto dlya okeana s glubinoi volny glubokoi vody dolzhny imet' Soglasno (6.21) ih period kolebanii , a skorost' . Dlya kontinental'nogo shel'fa poetomu volnami glubokoi vody budut volny s i
S drugoi storony, na glubine H \sim 5 km volny s dlinami voln budut volnami melkoi vody. Eti volny imeyut period kolebanii , a ih skorost' . Takie volny dvigayutsya so skorost'yu reaktivnogo samoleta i mogut peresech' Atlanticheskii okean primerno za 7 chasov.
Harakter dvizheniya chastic zhidkosti.
Rasschitaem skorosti chastic i kak funkcii koordinat i vremeni Eto legko sdelat' iz uravnenii (6.6) s uchetom (6.3), (6.1) i (6.16):
(6.23) |
Otsyuda
(6.24) |
Na ris. 6.5 pokazany vektory skorosti chastic na glubine i na poverhnosti v fiksirovannyi moment vremeni. Punktirom izobrazheno polozhenie volny cherez malyi promezhutok vremeni. Pod grebnem volny chasticy imeyut sostavlyayushuyu skorosti a pod vpadinoi Skorost' nekotoroi chasticy A napravlena vniz, i s techeniem vremeni budet izmenyat'sya. Legko ponyat', chto v posleduyushii moment skorost' chasticy A budet takoi, kak u chasticy B v nastoyashii moment, zatem - kak u chasticy C v nastoyashii moment, i tak dalee. Poetomu traektoriya chasticy A budet ellipticheskoi. Po mere uvelicheniya koordinaty (glubiny pogruzheniya) ellipsy splyushivayutsya, i pri chasticy zhidkosti koleblyutsya prakticheski vdol' osi Ox.
Ris. 6.5. |
Razmer bol'shoi poluosi ellipsa mozhno ocenit' iz usloviya
(6.25) |
Sravnim s dlinoi volny :
(6.26) |
Uchtem, chto - skorost' voln melkoi vody. Togda
(6.27) |
Dlya melkoi vody i
(6.28) |
Poskol'ku v etom sluchae to t.e. vozrastaet s rostom amplitudy volny No tak kak to amplituda gorizontal'nyh kolebanii
Chasticy na poverhnosti glubokoi zhidkosti dvizhutsya po traektoriyam, blizkim k krugovym. Po takim zhe traektoriyam budet dvigat'sya i plavayushee na poverhnosti nebol'shoe telo, naprimer, pritoplennyi poplavok.
Do sih por my predpolagali, chto profil' volny yavlyaetsya sinusoidal'nym, chto vozmozhno tol'ko v tom sluchae, esli amplituda volny ochen' mala po sravneniyu s ee dlinoi. V prirode takim profilem real'no obladayut tol'ko prilivnye volny, dlina kotoryh chrezvychaino velika po sravneniyu s ih vysotoi. Obychnye vetrovye volny imeyut bolee slozhnyi vid. Kak pokazyvayut raschety, chasticy zhidkosti v nih dvizhutsya po okruzhnostyam, radius kotoryh eksponencial'no ubyvaet s glubinoi (sm. ris. 6.6). Sploshnymi liniyami na risunke pokazany linii ravnogo davleniya, lyubaya iz kotoryh mozhet sootvetstvovat' poverhnosti vody pri opredelennoi amplitude volny. Eti linii yavlyayutsya trohoidami - traektoriyami tochek, raspolozhennyh na radiuse mezhdu centrom i obodom kolesa, katyashegosya pod gorizontal'noi pryamoi, raspolozhennoi na vysote nad urovnem nevozmushennoi poverhnosti vody. Poetomu takaya volna nazyvaetsya trohoidal'noi i otlichaetsya ot sinusoidal'noi garmonicheskoi volny, zadavaemoi formuloi (6.1). Ochen' blizkimi k trohoidal'nym yavlyayutsya volny posle nastupleniya na more shtilya. Eto tak nazyvaemaya mertvaya zyb'. V chastnom sluchae, kogda radius orbity chasticy, nahodyasheisya na poverhnosti vody, raven profil' volny imeet vid cikloidy (verhnyaya krivaya na ris. 6.6). Odnako, opyt pokazyvaet, chto cikloidal'naya forma poverhnosti vody mozhet nablyudat'sya tol'ko u stoyachih voln.
Ris. 6.6. |
Opytnym putem takzhe ustanovleno, chto u begushih trohoidal'nyh voln ugol mezhdu kasatel'noi k poverhnosti vody i gorizontom ne prevyshaet Esli ugol skata u grebnya volny prevyshaet eto znachenie, kotoroe sootvetstvuet otnosheniyu amplitudy trohoidal'noi volny k ee dline to volna teryaet ustoichivost'. Eto yavlenie igraet bol'shuyu rol' v processe zarozhdeniya i razvitiya voln, chto mozhno zametit', nablyudaya za nimi v prisutstvii vetra. Vysokie volny s ostrymi grebeshkami ne mogut prodolzhat' svoi beg, tak kak ih grebni oprokidyvayutsya i razrushayutsya, i volny umen'shayutsya po vysote.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|