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:
|