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
Rasprostranenie akusticheskih voln konechnoi amplitudy.
Esli vozmusheniya plotnosti i davleniya v akusticheskoi volne ne yavlyayutsya ischezayushe malymi po sravneniyu s ravnovesnymi znacheniyami i to govoryat, chto volna imeet konechnuyu amplitudu. Obychno takie volny obladayut vysokoi intensivnost'yu, i dlya opisaniya ih rasprostraneniya neobhodimo reshat' nelineinye uravneniya gidrodinamiki. Analizom rasprostraneniya voln konechnoi amplitudy zanimaetsya otdel'naya nauka, nazyvaemaya nelineinoi akustikoi. V nashih lekciyah my ogranichimsya lish' nebol'shim ob'emom svedenii iz nelineinoi akustiki.
Pust' v gaze vdol' osi Ox rasprostranyaetsya moshnaya akusticheskaya volna. Esli prenebrech' vyazkost'yu gaza, to odnomernoe dvizhenie chastic vdol' etoi osi budet opisyvat'sya uravneniem Eilera i uravneniem nepreryvnosti:
(6.35) |
Slozhnost' resheniya etoi sistemy uravnenii sostoit v tom, chto v ih levyh chastyah soderzhatsya nelineinye chleny. Obychno etu nelineinost' nazyvayut kinematicheskoi nelineinost'yu. Poskol'ku uravneniya (6.35) soderzhat tri neizvestnye funkcii i to neobhodimo ih dopolnit' tret'im uravneniem, svyazyvayushim i Dlya gaza ono, kak uzhe otmechalos' ranee, yavlyaetsya uravneniem adiabaty:
(6.36) |
Predstavim i v vide:
(6.37) |
Zatem podstavim (6.37) v (6.36):
(6.38) |
Polagaya, chto razlozhim pravuyu chast' (6.38) v ryad:
(6.39) |
Prenebregaya chlenami, imeyushimi poryadok malosti i vyshe, okonchatel'no zapishem uravnenie adiabaty v vide:
(6.40) |
gde
Vtoroi chlen v pravoi chasti (6.40) nachinaet davat' zametnyi vklad pri sil'nom szhatii (razrezhenii), poetomu svyaz' mezhdu vozmusheniyami davleniya i plotnosti stanovitsya nelineinoi. Eta nelineinost' obuslovlena nelineinost'yu sil mezhmolekulyarnogo vzaimodeistviya i nazyvaetsya fizicheskoi nelineinost'yu. Ona vmeste s kinematicheskoi nelineinost'yu mozhet kardinal'no povliyat' na harakter rasprostraneniya intensivnyh akusticheskih voln.
Pereidem teper' k ustanovleniyu osnovnyh zakonomernostei takogo rasprostraneniya. Dlya etogo podstavim (6.37) v uravneniya (6.35). Togda poluchim:
(6.41) |
Chtoby pomoch' chitatelyu preodolet' psihologicheskii bar'er, svyazannyi s analizom sistemy nelineinyh uravnenii (6.40) - (6.41), my pokazhem vnachale, kak iz etih uravnenii mozhno legko poluchit' volnovoe uravnenie, opisyvayushee lineinyi rezhim rasprostraneniya voln, izuchennyi podrobno ranee.
Lineinyi rezhim.
Uderzhim v uravneniyah (6.41) tol'ko lineinye chleny. Togda poluchim
(6.42) |
Isklyuchim dve neizvestnye funkcii, naprimer, i Dlya etogo prodifferenciruem pervoe uravnenie po vremeni a vtoroe - domnozhim na i prodifferenciruem po koordinate a zatem vychtem odno uravnenie iz drugogo. S uchetom tret'ego uravneniya chleny, soderzhashie i sokratyatsya, i my poluchim izvestnoe nam volnovoe uravnenie
(6.43) |
opisyvayushee rasprostranenie bez iskazhenii vdol' osi Ox so skorost'yu volny gidrodinamicheskoi skorosti.
Analogichnym obrazom mozhno poluchit' volnovye uravneniya dlya vozmushenii davleniya i plotnosti Ne ostanavlivayas' dalee na resheniyah takih uravnenii (my eto sdelali detal'no v predydushih lekciyah) pereidem teper' k nelineinomu rezhimu rasprostraneniya voln konechnoi amplitudy.
Nelineinyi rezhim.
Vnachale popytaemsya kachestvenno opisat' osnovnye cherty nelineinogo rasprostraneniya voln, ne pribegaya k matematike. Naibolee prosto eto sdelat', esli obratit'sya k vliyaniyu fizicheskoi nelineinosti (formula 6.36). Esli vspomnit', chto skorost' zvuka to legko ponyat', chto razlichnye chasti volny mogut dvigat'sya s raznymi skorostyami.
Na ris. 6.8 izobrazhena zavisimost' (6.36) i dlya treh znachenii plotnosti i provedeny kasatel'nye k grafiku funkcii uglovye koefficienty kotoryh ravny kvadratu skorosti rasprostraneniya volny. Iz etogo grafika mozhno sdelat' kachestvennyi vyvod o tom, chto chem vyshe plotnost' uchastka volny, tem bol'she ego skorost'.
Ris. 6.8. |
Esli, naprimer, garmonicheskaya volna (volna plotnosti) rasprostranyaetsya vdol' osi Ox (ris. 6.9), to iz-za razlichiya skorostei ee raznyh chastei ona budet postepenno menyat' svoyu formu. Na risunke dlya prostoty pokazany lish' tri skorosti i
Ris. 6.9. |
Kak pokazyvaet opyt, rasprostranenie volny mozhno oharakterizovat' tremya etapami.
Na I etape volna transformiruetsya v piloobraznuyu, obladayushuyu skachkom plotnosti (a takzhe davleniya i skorosti ). Eta piloobraznaya volna priobretaet udarnyi front, shirina kotorogo po mere rasprostraneniya umen'shaetsya i dostigaet velichiny poryadka dliny svobodnogo probega molekul gaza.
Na II etape proishodit nelineinoe zatuhanie volny dazhe pri ochen' maloi vyazkosti i teploprovodnosti sredy. Etot, na pervyi vzglyad, neozhidannyi effekt svyazan s perehodom v teplo chasti kineticheskoi energii molekul, obladayushih gidrodinamicheskimi skorostyami . Eti molekuly pod deistviem perepadov davleniya na dline svobodnogo probega priobretayut kineticheskuyu energiyu, kotoraya zatem perehodit v teplo pri neuprugih stolknoveniyah. Prosteishii raschet pokazyvaet, chto energiya, pereshedshaya v teplo, budet sushestvenno bol'she, chem na I etape, kogda na shirine proishodili mnogochislennye stolknoveniya. Estestvenno, chto eta teplovaya energiya zaimstvuetsya u rasprostranyayusheisya volny.
III etap svyazan s vozrastayushim vliyaniem vyazkosti i teploprovodnosti, kotorye osobenno sil'ny v oblastyah bol'shih perepadov skorosti i temperatury (vsledstvie lokal'nogo adiabaticheskogo nagreva ili ohlazhdeniya pri kolebaniyah gaza). Rezkie perepady skorosti privodyat k vozrastaniyu sil vyazkosti, a perepady temperatury na masshtabah poryadka dliny volny vlekut ottok tepla iz bolee nagretyh oblastei v menee nagretye. Iz-za etih prichin chast' energii volny perehodit v teplo, i ee amplituda umen'shaetsya. Poskol'ku pogloshenie zvuka proporcional'no kvadratu chastoty, bystree zatuhayut volny vysshih chastot, i volna transformiruetsya v garmonicheskuyu volnu s ishodnoi (nachal'noi) chastotoi.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|