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:
|