Реферат

Реферат Упругие волны

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 22.11.2024





УПРУГИЕ ВОЛНЫ

§ 1.
Распространение волн в упругой среде


Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газо­образной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распро­страняться в среде от частицы к частице с некоторой скоро­стью υ. Процесс распространения колебаний в пространстве на­зывается волной.

Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовле­каются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В попереч­ной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендику­лярных к направлению распространения волны. Упругие попереч­ные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивле­нием сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.

Подпись: Рис. 1.2Подпись: Рис. 1.1На рис. 1.1 показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. Номерами 1, 2 и т. д. обозначены час­тицы, отстоящие друг от друга на расстояние, равное ¼

υ
T
, т. е. на расстояние, проходимое волной за четверть периода колебаний, совершаемых частицами. В момент времени, принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо, достигла час­тицы 1, вследствие чего частица начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть периода частица 1 достигает крайнего верхнего положе­ния; одновременно начинает смещаться из положения равновесия частица 2. По прошествии еще четверти периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица достигнет крайнего верхнего положе­ния, а третья частица начнет смещаться вверх из положения рав­новесия. В момент времени, равный Т, первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. Волна к моменту времени Т, пройдя путь υ
T
, достигнет частицы 5.

На рис. 1.2 показано движение частиц при распространении в среде продольной волны. Все рассуждения, касающиеся поведе­ния частиц в поперечной волне, могут быть отнесены и к данному случаю с заменой смещений вверх и вниз смещениями вправо и влево. Из рисунка видно, что при распространении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения частиц (места сгущения частиц обведены на рисунке пунктиром), перемещающиеся в направлении распространения волны со ско­ростью υ.

На рис. 1.1 и 1.2 показаны колебания частиц, положения равновесия которых лежат на оси х. В действительности колеблют­ся не только частицы, расположенные вдоль оси х, а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Распространяясь от ис­точника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и но­вые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны   (или   волновым фронтом). Фронт волны пред­ставляет собой ту поверхность, которая отделяет часть простран­ства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой ко­лебания еще не возникли.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Волновую по­верхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Следовательно, волновых по­верхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт каждый момент времени только один. Волновые поверхности остаются неподвижными. Волновой фронт все время перемещается.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют со­бой множество параллельных друг другу плоскостей, в сфериче­ской волне множество концентрических сфер.

Рассмотрим случай, когда плоская волна распространяется вдоль оси х. Тогда все точки среды, положения равновесия кото­рых имеют одинаковую координату х (но различные значения координат y и z), колеблются в одинаковой фазе.

На рис.1.3 изображена кривая, которая дает смещение x
из положения равновесия точек с различными x в некоторый мо­мент времени. Не следует воспринимать этот рисунок как зримое изображение волны. На рисунке показан график функции x
(х, t)
для некоторого фиксированного момента времени 1. С течением времени график перемещается вдоль оси х. Такой график можно строить как для продольной, так и для поперечной волны. В обоих случаях он выглядит одинаково.


(1.1)
 
Расстояние λ, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны. Очевидно, что

λ =υ
T,


где υ скорость волны, T период колебаний. Длину волны можно определить также как расстояние между ближайшими точ­ками среды, колеблющимися с разностью фаз, равной 2p (см. рис. 1.3).


(1.2)
 
Заменив в соотношении (1.1) T через 1/v (v частота коле­баний), получим

λ
v
= υ
.


Подпись: Рис. 2.1К этой формуле можно прийти также из следующих соображений. За одну секунду источник волн совершает v колебаний, порождая в среде при каждом колебании один «гребень» и одну «впадину» волны. К тому моменту, когда источник будет завершать v-e коле­бание, первый «гребень» успеет пройти путь υ. Следовательно, v «гребней» и «впадин» волны должны уложиться на длине υ.

§ 2.
Уравнения плоской и сферической волн


Уравнением волны называется выражение, которое дает сме­щение колеблющейся частицы как функцию ее координат х, у, z и времени t:


(2.1)
 
x
=
x
(х, у
, z,

t)


(имеются в виду координаты равновесного положения частицы). Эта функция должна быть периодической как относительно вре­мени t, так и относительно координат х
, y,
z
.
Периодичность по времени вытекает из того, что x описывает колебания час­тицы с координатами х, у, z. Периодич­ность по координатам следует из того, что точки, отстоящие друг от друга на расстоя­ние λ, колеблются одинаковым образом.

Найдем вид функции x, в случае плос­кой волны, предполагая, что колебания носят гармонический характер. Для уп­рощения направим оси координат так, чтобы ось х совпала с направлением рас­пространения волны. Тогда волновые поверхности будут пер­пендикулярными к оси х и, поскольку все точки волновой поверх­ности колеблются одинаково, смещение x будет зависеть только от х и t: x= x
(х,
t)
. Пусть колебания точек, лежащих в плоскости х = 0 (рис. 2.1), имеют вид

x (х, t) = a cos (
w
t +

a
)
.

Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей про­извольному значению х. Для того чтобы пройти путь от плоскости  х = 0 до этой плоскости, волне требуется время t
= x/υ (υ скорость распространения волны). Следовательно, колебания частиц, лежащих в плоскости х, будут отставать по времени на t от колебаний частиц в плоскости х
= 0, т. е. будут иметь вид

x (х, t) = a cos [
w
( t −
t
)
+

a
] =
a cos [
w
( t − x
/υ )
+

a
]
.

Итак, уравнение плоской волны (и продольной, и поперечной), распространяющейся в направлении оси х, выглядит следующим образом:


(2.2)
 
x
=
a
cos [
w
( t − x
/υ )
+

a
]


Величина a представляет собой амплитуду волны. Начальная фаза волны a определяется выбором начал отсчета х и t. При рас­смотрении одной волны начала отсчета времени и координаты обычно выбираются так, чтобы a была равной нулю. При совмест­ном рассмотрении нескольких волн сделать так, чтобы для всех них начальные фазы равнялись пулю, как правило, не удается.


(2.3)
 
Зафиксируем какое-либо значение фазы, стоящей в уравнении (2.2), положив

w
( t − x
/υ )
+

a
=
const




0,
 

=
 
Подпись: dx


1
 

υ

 
Подпись: dt –

Это выражение определяет связь между временем t и тем местом х, в котором фаза имеет зафиксированное значение. Вытекающее из него значение dx/dt дает скорость, с которой перемещается данное значение фазы. Продифференцировав выражение (2.3), получим


 υ
.

 

υ
.

 
откуда


(2.4)
 
 
Таким образом, скорость распространения волны υ в уравнении (2.2) есть скорость перемещения фазы, в связи с чем ее называют фазовой скоростью.


(2.5)
 
Согласно (2.4) dx/dt > 0. Следовательно, уравнение (2.2) описывает волну, распространяющуюся в сторону возрастания х. Волна, распространяющаяся в противоположном направлении, описывается уравнением

x
=
a
cos [
w
( t + x
/υ )
+

a
]




– υ
,

 
Действительно, приравняв константе фазу волны (2.5) и продиф­ференцировав получившееся равенство, придем к соотношению

из которого следует, что волна (2.5) распространяется в сторону убывания х.


(2.6)
 

   ,
 

λ

 


 
Подпись: k =

Уравнению плоской волны можно придать симметричный отно­сительно х и t вид. Для этого введем величину

Подпись: k =


ω
 

υ
 

(2.7)
 
которая называется волновым числом. Умножив числи­тель и знаменатель выражения (2.6) на частоту v, можно пред­ставить волновое число в виде


(2.8)
 
(см. формулу (1.2)). Раскрыв в (2.2) круглые скобки и приняв во внимание (2.7), придем к следующему уравнению плоской вол­ны, распространяющейся вдоль оси х:

x
=
a
cos (
w
t + kx +

a
)


Уравнение волны, распространяющейся в сторону убывания х, отличается от (2.8) только знаком при члене kx.

При выводе формулы (2.8) мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от х. Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия волны не поглощается средой. При рас­пространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны с удалением от источника колебаний постепенно уменьшаетсянаблюдается затухание волны. Опыт показывает, что в однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному закону: a
= a0 e–γx
. Соответственно урав­нение плоской волны имеет следующий вид:


(2.9)
 
x
=
a
0
e–γx cos (
w
t + kx +

a
)


(a
0
амплитуда в точках плоскости х = 0).

Теперь найдем уравнение сферической волны. Всякий реаль­ный источник волн обладает некоторой протяженностью. Однако если ограничиться рассмотрением волны на расстояниях от источ­ника, значительно превышающих его размеры, то источник можно считать точечным. В изотропной и однородной среде волна, по­рождаемая точечным источником, будет сферической. Допустим, что фаза колебаний источника равна w
t +
a
.
Тогда точки, лежа­щие на волновой поверхности радиуса r, будут колебаться с фазой

w
( t – r/ υ ) =
w
t – kr +

a



a
 

(2.10)
 
(чтобы пройти путь r, волне требуется время τ = r/υ). Амплитуда колебаний в этом случае, даже если энергия волны не поглощается средой, не остается постоянной она убывает с расстоянием от источника по закону 1/
r
. Следовательно, уравнение сферической волны имеет вид


r
 
x
=
   cos (
w
t + kx +

a
)


где a постоянная величина, численно равная амплитуде на рас­стоянии от источника, равном единице. Размерность а равна раз­мерности колеблющейся величины, умноженной на размерность длины.  Для поглощающей среды в формулу (2.10) нужно доба­вить множитель e–γx.

Напомним, что в силу сделанных предположений уравнение (2.10) справедливо только при r, значительно превышающих размеры источника. При стремлении r к нулю выражение для амп­литуды обращается в бесконечность. Этот абсурдный результат объясняется неприменимостью уравнения для малых r.
§ 3.
Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении

Найдем уравнение плоской волны, распространяющейся в на­правлении, образующем с осями координат x
,

y
,

z
углы α, β, γ. Пусть колебания в плоскости, проходя­щей через начало координат (рис. 3.1), имеют вид


(3.1)
 
x = a cos ( wt + a )


(3.2)
 

υ
 

ω
 
Возьмем волновую поверхность (пло­скость), отстоящую от начала коорди­нат на расстояние l. Колебания в этой плоскости будут отставать от колебаний (3.1) на время τ =l:

Подпись: Рис. 3.1x = a cos [ w( t      ) + a ] = a cos ( wtkl + a ).

(k = ω/υ; см. формулу (2.7)).
Выразим l через радиус-вектор точек рассматриваемой поверх­ности. Для этого введем единичный вектор n нормали к волновой поверхности. Из рис. 3.1 видно, что скалярное произведение n на радиус-вектор r любой из точек поверхности равно l:

nr
=
r cos φ= l.


(3.3)
 
Заменим в (3.2) l черезnr
:



x = a cos ( wtknr + a )


(3.4)
 
Вектор

k =
kn
,
                       


(3.5)
 
равный по модулю волновому числу k = 2π/λ и имеющий направ­ление нормали к волновой поверхности, называется волно­вым вектором. Таким образом, уравнение (3.3) можно представить в виде

x ( r, t ) = a cos ( wt − kr + a )

Мы получили уравнение плоской незатухающей волны, распро­страняющейся в направлении, определяемом волновым векто­ром k. Для затухающей волны нужно добавить в уравнение мно­житель eγl = eγ nr.

Функция (3.5) дает отклонение от положения равновесия точ­ки с радиусом-вектором r в момент времени l (r оп­ределяет равновесное положение точки). Чтобы перейти от радиу­са-вектора точки к ее координатам х
,
у
,

z
,
выразим скалярное про­изведение kr через компоненты векторов по координатным осям:

kr = kxx + kyy + kzz.


(3.7)
 

(3.6)
 
Тогда уравнение плоской волны примет вид

x (x,

y
,

z
, t ) = a cos ( wt − kxx kyykzz + a )



 

λ
 
Подпись: kz =


cos γ.
 


 
Подпись: ky =


λ
 

cos β,
 

cos α,
 


 
Здесь

Подпись: kx =


λ
 
Функция (3.6) дает отклонение точки с координатами х
,
у
,

z
в мо­мент времени t. В случае, когда n совпадает с ex, kx = k, ky = kz = 0 (и уравнение (3.6) переходит в (2.8). Очень удобна запись урав­нения плоской волны в виде

x = Re aei t-kr+α)


(3.10)
 

(3.8)
 

(3.9)
 
Знак Re обычно опускают, подразумевая, что берется только вещественная часть соответствующего выражения. Кроме того, вводят комплексное число

â = ae
i
α,

которое называют комплексной амплитудой. Модуль этого числа дает амплитуду, а аргумент начальную фазу волны Таким образом, уравнение плоской незатухающей волны мож­но представить в виде

x = â
ei
t-kr)

Преимущества такой записи выяснятся в дальнейшем.
§ 4.
Волновое уравнение


Уравнение любой волны является решением дифференциального уравнения, называемого волновым. Чтобы установить вид волнового уравнения, сопоставим вторые частные производные по координатам и времени от функции (3.6), описывающей плос­кую волну. Продифференцировав эту функцию дважды по каждой из переменных, получим

Сложение производных по координатам дает

Подпись: (4.4)Подпись: (4.7)Подпись: (4.6)Подпись: (4.5)Подпись: (4.3)Подпись: (4.2)Подпись: (4.1)




Сопоставив эту сумму с производной по времени и заменив k22 через 1/υ2 (см. (2.7)), получим уравнение
Это и есть волновое уравнение. Его можно записать в виде


υ
 





где Δоператор Лапласа.

Легко убедиться в том, что волновому уравнению удовлетворя­ет не только функция (3.6), но и любая функция вида


f(x, y, z, t)=f(wt − kxx kyykzz + a)
 




Действительно, обозначив выражение, стоящее в скобках в правой части (4.4), через ς, имеем
Аналогично





Подстановка выражений (4.5) и (4.6) в уравнение (4.2) приво­дит к выводу, что функция (4.4) удовлетворяет волновому урав­нению, если положить υ=ω/k.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнению вида (4.2), описывает некоторую волну, причем корень квадратный из вели­чины, обратной коэффициенту при              , дает фазовую скорость этой волны.

Отметим, что для плоской волны, распространяющейся вдоль оси х
,
волновое уравнение имеет вид


υ
 




§ 5.
Скорость упругих волн в твердой среде


Подпись: Рис. 5.2Пусть в направлении оси х распространяется продольная плос­кая волна. Выделим в среде цилиндрический объем с площадью основания  S и высотой Δx (рис. 5.1). Смещения ξ частиц с разными х
в каждый момент времени оказываются различными (см. рис. 1.3, на котором изображено ξ в функции от x). Если основание цилиндра с координатой х имеет в некоторый момент времени смещение ξ, то смещение основания с координатой x+Δx будет ξ+Δξ. Поэтому рассматриваемый объем деформируется он получает удлинение (алгебраическая величина, соответствует сжатию цилиндра) или относительное удлинение. Величина дает среднюю деформацию цилинд­ра. Вследствие того, что ξ меняется с изменением х не по линейному зако­ну, истинная деформация в разных сечениях цилиндра будет неодинако­вой. Чтобы получить деформацию ε в сечении х, нужно устремить Δx к нулю. Таким образом,

Подпись: (5.4)Подпись: (5.3)Подпись: (5.2)Подпись: (5.1)





 (символ частной производной взят потому, что зависит не только от x, но и от t).

Наличие деформации растяжения свидетельствует о существо­вании нормального напряжения σ, при малых деформациях про­порционального величине деформации. Согласно формуле (14.6) 1-го тома


(E модуль Юнга среды). Отметим, что относительная деформа­ция                 , а следовательно, и напряжение σ в фиксированный мо­мент времени зависят от х (рис. 5.2). Там, где отклонения частиц от положения равновесия максимальны, деформация и напряжение равны нулю. В местах, где частицы проходят через положение равновесия, деформация и напряжение достигают максимального значения, причем положительные и отрицательные деформации (т. е. растяжения и, сжатия) чередуются друг с другом. В соответ­ствии с этим, как уже отмечалось в §1. продольная волна состоит из чередующихся разрежений и сгущений среды.

Обратимся снова к цилиндрическому объему, изображенному на рис. 5.1, и напишем для него уравнение движения. Полагая Δx
очень малым, проекцию ускорения на ось x можно считать для всех точек цилиндра одинаковой и равной                      . Масса цилиндра рав­на ρSΔx, где ρ – плотность недеформированной среды. Проек­ция на ось x силы, действующей на цилиндр, равна произведению площади основания цилиндра S на разность нормальных напря­жений в сечениях (x+Δx+ξ+Δξ) и (x+ξ):





Значение производной            в сечении x+δ можно для малых δ представить с большой точностью в виде








где под                   подразумевается значение второй частной произ­водной ξ по х
в сечении х
.


Ввиду малосги величин Δx, ξ и Δξ произведем в выражении (5.3) преобразование (5.4):




Подпись: (5.5)

< Δx
 

<
 
(относительное удлинение              при упругих деформациях бывает много меньше единицы. Поэтому Δξ                   , так что слагаемым Δξ в сумме Δx+Δξ, можно пренебречь).

Подставив найденные значения массы, ускорения и силы в уравнение второго закона Ньютона, получим
Наконец, сократив на SΔx, придем к уравнению

Подпись: (5.6)
которое представляет собой волновое уравнение, написанное для случая, когда ξ не зависит от у и z. Сопоставление уравнений (4.7) и (5.6) дает, что

Подпись: (5.7)

υ =
 







Таким образом, фазовая скорость продольных упругих волн равна корню квадратному из модуля Юнга, деленного на плотность среды. Аналогичные вычисления для поперечных волн приводят к выражению

Подпись: (6.1)Подпись: (5.8)

υ =
 




где G – модуль сдвига.
§ 6.
Энергия упругой волны


Пусть в некоторой среде распространяется в направлении оси х плоская продольная волна

x = a cos ( wtkx  + a )

Выделим в среде элементарный объем ΔV, настолько малый, чтобы скорость движения и деформацию во всех точках этого объема можно было считать одинаковыми и равными, соответственно,              и                .

Выделенный нами объем обладает кинетической энергией

Подпись: (6.2)


(ρΔV – масса объема,             его скорость).

Согласно формуле (25.4) 1-го тома рассматриваемый объем обладает также потенциальной энергией упругой деформации




=             относительное удлинение цилиндра, Е модуль Юнга среды). Заменим в соответствии с (5.7) модуль Юнга через ρυ2плотность среды, υ фазовая скорость волны). Тогда выражение для потенциальной энергии объема ΔV примет вид

Подпись: (6.4)Подпись: (6.3)
Выражения (6.2) и (6.3) в сумме дают полную энергию


Разделив эту энергию на объем ΔV, в котором она содержится, получим плотность энергии


w

 




Дифференцирование уравнения (6.1) один раз по t, другой раз по x дает
Подставив эти выражения в формулу (6.4) и приняв во внимание, что k2υ2 = ω2, получим


(6.5)
 





В случае поперечной волны для плотности энергии получается та­кое же выражение.


(6.6)
 
Из (6.5) следует, что плотность энергии в каждый момент времени в разных точках пространства различна. В одной и той же точке плотность энергии изменяется со временем по закону квад­рата синуса. Среднее значение квадрата синуса равно 1/2. Соот­ветственно среднее по времени значение плотности энергии в каж­дой точке среды равно
Плотность энергии (6.5) и ее среднее значение (6.6) пропорцио­нальны плотности среды ρ, квадрату частоты ω и квадрату ампли­туды волны а. Подобная зависимость имеет место не только для незатухающей плоскости волны, но и для других видов волн (плос­кой затухающей, сферической и т. д.).


(6.7)
 
Итак, среда, в которой распространяется волна, обладает до­полнительным запасом энергии. Эта энергия доставляется от ис­точника колебаний в различные точки среды самой волной; следо­вательно, волна переносит с собой энергию. Количество энергии, переносимое волной через некоторую поверхность в единицу вре­мени, называется потоком энергии через эту поверх­ность. Если через данную поверхность переносится за время dt энергия dW, то поток энергии Φ равен
Поток энергии скалярная величина, размерность которой равна размерности энергии, деленной на размерность времени, т. е. сов­падает с размерностью мощности. В соответствии с этим Φ измеря­ется в ваттах, эрг/с и т. п.

Поток энергии в разных точках среды может быть различной интенсивности. Для характеристики течения энергии в разных точках пространства вводится векторная величина, называемая плотностью потока энергии. Эта величина численно равна потоку энергии через единичную площадку, помещенную в данной точке перпендикулярно к направлению, в котором пере­носится энергия. Направление вектора плотности потока энергии совпадает с направлением переноса энергии.

Пусть через площадку           , перпендикулярную к направлению распространения волны, переносится за время Δt энергия ΔW. Тогда плотность потока энергии равна


(6.8)
 







(см. (6.7)). Через площадку               (рис. 6.1) будет перенесена за время Δt энергия ΔW, заключенная в объеме цилиндра с основа­нием         и высотой υΔt (υ – фазовая скорость волны). Если размеры цилиндра достаточно малы (за счет малости     и Δt) для того, чтобы плотность энергии во всех точках цилиндра можно было считать одинаковой, то ΔW можно найти как произведение плотности энергии w на объем цилиндра, равный        υΔt:

Подставив это выражение в формулу (6.8), получим для плот­ности потока энергии:


(6.9)
 

(6.10)
 

(6.11)
 

(6.12)
 





Наконец, введя вектор v, модуль которого равен фазовой скорости волны, а направление совпадает с направлением распростране­ния волны (и переноса энергии), можно написать

 j  =  wv


Рис.6.2
 

Рис.6.1
 

Мы получили выражение для вектора плотности потока энер­гии. Этот вектор был впервые введен в рассмотрение выдающимся русским физиком Н. А. Умовым и называется вектором Умова. Вектор (6.10), как и плотность энергии w, различен в разных точках про-
странства, а в данной точке изменяется со временем по закону квадрата синуса. Его среднее значение равно
(см. (6.6)). Выражение (6.11), так же как и (6.6), справедливо для волны любого вида (сферической, затухающей и т. д.).

Отметим, что, когда говорят об интенсивности волны в данной точке, то имеют в виду среднее по времени значение плот­ности потока энергии, переносимой волной.

Зная
j во всех точках произвольной поверхности S, можно вычислить поток энергии через эту поверхность. С этой целью разо­бьем поверхность на элементарные участки dS. За время dt через площадку dS пройдет энергия dW, заключенная в изображенном на рис. 6.2 косом цилиндре. Объем этого цилиндра равен   dV = υ dt dS cosφ . В нем содержится энергия dW = w dV = w υ dtdS cos φ  (w мгновенное значение плотности энергии в том месте, где рас­положена площадка dS). Приняв во внимание, что

w υ dS cos φ = j dS cos φ = j dS

(dS = n dS; см. рис. 6.2), можно написать: dW = j dS dt. Отсюда для потока энергии dΦ через площадку dS получается формула



(6.13)
 

(6.14)
 
(ср. с формулой (11.5)). Полный поток энергии через поверхность равен сумме элементарных потоков (6.12):
В соответствии с (11.7) можно сказать, что поток энергии равен потоку вектора j через поверхность S.

Заменив в формуле (6.13) вектор j его средним по времени значением, получим среднее значение Φ:
Вычислим среднее значение потока энергии через произвольную волновую поверхность незатухающей сферической волны. В каж­дой точке этой поверхности векторы j и dS совпадают по направле­нию. Кроме того, модуль вектора j для всех точек поверхности оди­наков. Следовательно,


(r радиус волновой поверхности). Согласно (6.11)                                     . Таким образом,


(ar амплитуда волны на расстоянии r от источника). Поскольку энергия волны не поглощается средой, средний поток энергии че­рез сферу любого радиуса должен иметь одинаковое значение, т. е. должно выполняться условие


Отсюда следует, что амплитуда а, незатухающей сферической волны обратно пропорциональна расстоянию r от источника волны (см. формулу (5.10)). Соответственно средняя плотность потока энергии             обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

В случае плоской затухающей волны амплитуда убывает с рас­стоянием по закону a = = a0 e-γx (см. (2.9)). Соответственно средняя плотность потока энергии (т. е. интенсивность волны) убывает по


(6.15)
 


Здесь c = величина, называемая коэффициентом поглощения волны. Она имеет размерность, обратную размерности длины. Легко сообразить, что величина, обратнаяc, равна расстоянию, на котором интенсивность волны уменьшается в е раз.
§ 7. Стоячие волны

Если в среде распространяется одновременно несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Следовательно, волны просто накладываются одна на другую, не возмущая друг друга. Это утверждение называется принципом суперпозиции (наложения) волн.

В случае, когда колебания, обусловленные отдельными волна­ми в каждой из точек среды, обладают постоянной разностью фаз, волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции, заключающееся в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других точках ослабляют друг друга.

Очень важный случай интерференции наблюдается при нало­жении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная волна, налагаясь друг на друга, образуют стоячую волну.

Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся вдоль оси х в противоположных направлениях:

x1 = a cos ( wtkx  + a1 ),               x2 = a cos ( wt + kx  + a2 ).

(7.2)
 

(7.1)
 
Сложив вместе эти уравнения и преобразовав результат по формуле для суммы косинусов, получим
Уравнение (7.1) есть уравнение стоячей волны. Чтобы упростить его, выберем начало отсчета х так, чтобы разность α1 α2 стала равной нулю, а начало отсчета t
так, чтобы оказалась равной нулю сумма α1 α2. Кроме того, заменим волновое число k его значением . Тогда уравнение (7.1) примет вид


Из (7.2) видно, что в каждой точке стоячей волны происходят колебания той же частоты, что и у встречных волн, причем ампли­туда зависит от х
:





В точках, координаты которых удовлетворяют условию x/λ = ± nπ (n Î N) – (3.3), амплитуда колебаний достигает максимального значения. Эти точки называются пучностями стоячей волны. Из (3.3) получаются значения координат пучностей:


(7.4)
 




Следует иметь в виду, что пучность представляет собой не одну единственную точку, а плоскость, точки которой имеют значения координаты x, определяемые формулой (7.4).

В точках, координаты которых удовлетворяют условию


амплитуда колебаний обращается в нуль. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают. Координаты узлов имеют значения


(7.5)
 




Узел, как и пучность, представляет собой не одну точку, а плос­кость, точки которой имеют значения координаты х
,
определяе­мые формулой (7.5).


2acos(2px/l)
 
Из формул (7.4) и (7.5) следует, что расстояние между сосед­ними пучностями, так же как и расстояние между соседними узла­ми, равно l/2. Пучности и узлы сдвинуты друг относительно друга на четверть длины волны.

Обратимся снова к уравнению (7.2). Множитель                          при переходе через нулевое значение меняет знак. В соответствии с этим фаза колебаний по разные стороны от узла отличается на p. Это означает, что точки, лежащие по разные стороны от узла, ко­леблются в противофазе. Все точки, заключенные между двумя со­седними узлами, колеблются синфазно. На рис. 7.1 дан ряд «моментальных фотографий» отклонений точек от положения равновесия. Первая «фотография» соответствует моменту, когда отклонения достигают наибольшего абсолютного значения. Последующие «фотографии» сделаны с интервалами в четверть периода. Стрелками показаны скорости частиц.

Продифференцировав уравнение (7.2) один раз по t
,
а другой раз по х
,
найдем выражения для скорости частиц         и для дефор­мации среды e:


(7.6)
 

(7.7)
 











Уравнение (7.6) описывает стоячую волну скорости, а (7.7) стоячую волну деформации.

Подпись: Рис.7.2Подпись: Рис.7.1На рис. 7.2 сопоставлены «моментальные фотографии» смеще­ния, скорости и деформации для моментов времени 0 и T/4. Из графиков видно, что узлы и пучности скорости совпадают с узлами и пуч­ностями смещения; узлы же и пучно­сти деформации совпадают соответ­ственно с пучностями и узлами сме­щения. В то время как x и ε достигают максимальных значений,     обраща­ется в нуль, и наоборот. Соответст­венно дважды за период происходит превращение энергии стоячей волны то полностью в потенциаль­ную, сосредоточенную в основном вблизи узлов волны (где нахо­дятся пучности деформации), то полностью в кинетическую, со­средоточенную в основном вблизи пучностей волны (где находятся пучности скорости). В результате происходит переход энергии от каждого узла к соседним с ним пучностям и обратно. Средний по времени поток энергии в любом сечении волны равен нулю.

1. Статья Наказания по вавилонскому талмуду
2. Контрольная_работа на тему Пути индивидуализации воспитания школьников
3. Реферат Россия и Западная Европа в современных международных отношениях
4. Реферат на тему The Crucible Essay Research Paper John Hale
5. Реферат Образ маленького человека в прозе ФСологуба
6. Реферат Трудовая теория стоимости 2
7. Реферат Истоки возраст средней группы
8. Реферат Понятие и формы множественности преступлений
9. Реферат Виды асимметрии
10. Курсовая на тему Общие сведения о Windows XP