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
Uedinennye volny (solitony).
V 1834 godu shotlandskii inzhener-korablestroitel' i uchenyi Dzh. Rassel, nablyudaya za dvizheniem barzhi po kanalu, kotoruyu tashila para loshadei, obratil vnimanie na udivitel'noe yavlenie. Pri vnezapnoi ostanovke sudna massa vody vokrug barzhi v uzkom kanale ne ostanovilas', a sobralas' okolo nosa sudna, i zatem otorvalas' ot nego i v vide bol'shogo uedinennogo vodnogo holma stala dvigat'sya so skorost'yu okolo 8 mil' v chas. Udivitel'no, chto forma holma v processe ego dvizheniya prakticheski ne menyalas'. Rassel nazval eto dvizhusheesya po poverhnosti vody obrazovanie "great solitary wave", chto v perevode oznachaet "bol'shaya uedinennaya volna".
Teoreticheskoe ob'yasnenie uedinennye volny poluchili vposledstvii v rabotah francuzskogo uchenogo Zh. V. de Bussineska i angliiskogo fizika Dzh. Releya. Oni obosnovali matematicheski vozmozhnost' sushestvovaniya uedinennyh voln v melkovodnyh kanalah.
Posle smerti Rassela v 1895 godu gollandskii fizik D. Korteveg i ego uchenik G. de Fris vyveli uravnenie, opisyvayushee uedinennye volny. Eto uravnenie poluchilo nazvanie uravneniya Kortevega - de Frisa (uravnenie KDF) i imeet vid
(6.65) |
Ono opisyvaet rasprostranenie poverhnostnyh gravitacionnyh voln na melkoi vode. Zdes' - skorost' voln melkoi vody, - glubina vodoema. Otmetim srazu, chto po vidu uravnenie KDF otlichaetsya ot nelineinogo uravneniya (6.50) nalichiem dopolnitel'nogo chlena otvetstvennogo za dispersiyu gravitacionnyh voln (hotya i nebol'shuyu na melkoi vode).
Rassmotrim neskol'ko podrobnee vliyanie nelineinosti i dispersii na rasprostranenie poverhnostnyh gravitacionnyh voln. Po analogii s nelineinymi akusticheskimi volnami srazu mozhem skazat', chto skorost' razlichnyh uchastkov poverhnostnoi volny budet razlichna:
(6.66) |
Iz-za razlichiya skorostei (greben' volny dvizhetsya bystree vpadiny) proishodit prevrashenie garmonicheskoi volny v piloobraznuyu. Krutoi front pod deistviem sily tyazhesti oprokidyvaetsya, i na poverhnosti vody poyavlyayutsya penistye grebeshki. Oprokidyvanie fronta legko nablyudat' pri dvizhenii volny po melkovod'yu vblizi berega (ris. 6.12). Odnako v ryade sluchaev nelineinoe iskazhenie volny mozhet kompensirovat'sya dispersiei. V samom dele, piloobraznaya volna predstavlyaet soboi nabor garmonicheskih voln s raznymi chastotami. Iz-za dispersii eti volny dvizhutsya s raznymi skorostyami, i poetomu piloobraznyi fragment volny, podobno impul'su, stremitsya rasshirit'sya. Pri opredelennoi forme fragmenta oba konkuriruyushih mehanizma mogut kompensirovat' drug druga, i togda po poverhnosti vody pobezhit ustoichivaya struktura v vide uedinennoi volny (solitona). Vyyasnim nekotorye svoistva etoi uedinennoi volny.
Ris. 6.12. |
Predpolozhim, chto soliton imeet amplitudu protyazhennost' vdol' osi Ox, ravnuyu i predstavlyaet soboi nekotoryi holmik, izobrazhennyi na risunke 6.13. Ocenim velichiny nelineinogo i dispersionnogo chlenov v uravnenii KDF:
(6.67) |
V (6.67) uchteno, chto na perednem i zadnem frontah holmika Estestvenno, chto oba mehanizma budut kompensirovat' drug druga pri uslovii
(6.68) |
Poslednee nakladyvaet svyaz' na amplitudu i dlinu solitona:
(6.69) |
Takim obrazom, chem bol'she amplituda solitona tem men'she dolzhna byt' ego dlina Skorost' solitona c vozrastaet s rostom amplitudy, chto harakterno dlya nelineinogo rasprostraneniya voln.
Ris. 6.13. |
Tochnoe reshenie uravneniya KDF, opisyvayushee soliton, imeet vid
(6.70) |
Pri etom dlina solitona svyazana s amplitudoi sootnosheniem
(6.71) |
a skorost'
(6.72) |
Esli to poslednee vyrazhenie mozhno perepisat' v vide
(6.73) |
Etu formulu my uzhe zapisyvali pri kachestvennom obsuzhdenii povedeniya gravitacionnyh voln po mere ih priblizheniya k beregu.
Vazhno podcherknut', chto soliton yavlyaetsya ustoichivoi strukturoi. Esli pervonachal'no sootnoshenie (6.71) ne vypolnyaetsya i amplituda slishkom velika, to vodyanoi holm raspadaetsya na neskol'ko men'shih holmikov, iz kotoryh sformiruyutsya solitony. Naprotiv, esli slishkom mala, to takoi nizkii holm raspolzetsya vsledstvie dispersii.
Po sovremennym predstavleniyam bol'shinstvo voln cunami obrazuyutsya, kogda dostatochno krupnyi, no bezvrednyi v okeane soliton vybrasyvaetsya na bereg. Pri podhode k beregu on stanovitsya vyshe i koroche, i ego vysota stanovitsya sravnima s glubinoi okeana vblizi berega.
V zaklyuchenie etoi temy otmetim, chto v nastoyashee vremya obnaruzheny solitony dlya voln razlichnoi prirody. Tak, naprimer, sushestvuyut solitony pri rasprostranenii akusticheskih voln v kristallah, svetovyh impul'sov v volokonnyh svetovodah, ionno-zvukovyh voln v plazme i dr. Vo vseh sluchayah sushestvovanie solitonov obuslovleno vzaimnoi kompensaciei nelineinyh i dispersionnyh effektov. Estestvenno, chto energiya, perenosimaya uedinennoi volnoi lyuboi prirody, budet dissipirovat' v teplo, poetomu po mere rasprostraneniya amplituda solitona budet stremit'sya umen'shit'sya, chto, estestvenno, rano ili pozdno privedet k ego ischeznoveniyu.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|