Вопрос 16. Типы волн и их основные характеристики.
В природе существуют различные виды волновых движений. Они возникают под действием различных возмущений и представляют собой процесс передачи этих возмущений (ветер – ветровые волны, силы притяжения Луны и Солнца – приливы и отливы, подводные взрывы, землетрясения морского дна – цунами).
Волны подразделяют на поверхностные и упругие. Поверхностные распространяются по свободной поверхности жидкости и затухают с глубиной. Упругие же захватывают всю массу жидкости (звуковые, приливные, подводных и воздушных взрывов).
Гидромеханика изучает поверхностные волны. Они делятся на гравитационные и капиллярные.
Гравитационные возникают из-за действия в жидкости сил тяжести. Частицы жидкости, выведенные из равновесия под действием сил инерции, стремятся снова возвратиться в него. Таким образом происходит колебательное движение жидких частиц, которые и воспринимаются как волны. Наблюдения показали, что волны не переносят масс.
Гравитационные волны в зависимости от причин их вызвавших делятся на ветровые, приливные и корабельные.
Корабельные волны – волны образующиеся при движении твердого тела. Они являются причиной возникновения волнового сопротивления. При высоких скоростях составляют значительную часть полного сопротивления.
Капиллярные волны – волны обусловленные действием сил поверхностного натяжения, также вызываются ветром и имеют вид ряби.
Поверхностные волны с периодически повторяющимися характеристиками называются правильными или регулярными.
Обычно ветровые волны трехмерные. В простейших задачах рассматривают плоские волны, т.е. профиль волны считается одинаковым в параллельных плоскостях.
| Рисунок 35. Основные параметры волн.
| λ – длина волны – расстояние между двумя max или min;
h – высота волны – расстояние от наивысшей до наинизшей точки профиля по вертикали;
– амплитуда волны – половина высоты правильных периодических волн;
αв – угол волнового склона – угол между касательной к данной точке профиля.
Для описания профиля волн в теории волновых движений принимают разные закономерности. Рассматривают волны синусоидальные, эллиптические, трохоидальные, циклоидальные. При распространении профиля волны жидкие частицы совершают колебательное движение около положения равновесия.
τ – период волны – время, за которое частица в составе волны совершает одно полное колебание;
с – скорость распространения волны – скорость бега профиля волны по перпендикуляру к образующей волны.
Длина волны, период и скорость распространения связаны следующими соотношением:
| (7.1)
| Скорость распространения волн постоянна, а период и длина могут меняться.
| (7.2)
| - частота волн.
Скорость распространения поверхностной волны в глубоководной зоне определяется по формуле:
| (7.3)
| Второй член учитывает противодействие мгновенным силам вызывающим волновое движение со стороны молекулярного сцепления между частицами, что существенно только для коротких волн. При увеличении длины волны уменьшается.
α – коэффициент поверхностного натяжения.
| (7.4)
| - скорость распространения гравитационных длинных регулярных волн.
Гравитационные волны делятся на прогрессивные и стоячие. Профиль прогрессивной волны перемещается в пространстве (ветровые, корабельные). Профиль стоячих волн не перемещается. Возникают из-за взаимодействия прогрессивных волн при их отражении от препятствий.
Обычно морские волны нерегулярны и волнение носит случайный характер. Характеристики такого процесса получают по статистическим данным. В общем случае такое движение рассматривают наложением плоских элементарных волн.
Предельные ветровые волны бывают высотой до 30 м и длиной до 400 м.
баллы
| Vв, м/с
| h, м
| λ, м
| h/ λ
| С, м/с
| τ, с
|
|
| 1,2
|
| 1/21
| 6,3
| 4,0
|
|
| 2,6
|
| 1/15
| 7,8
| 5,0
|
|
| 4,0
|
| 1/22
| 11,8
| 7,4
|
|
| 5,8
|
| 1/22
| 14,2
| 9,1
|
|
| 8,4
|
| 1/18
| 14,7
| 9,4
|
|
| 11,5
|
| 1/16
| 16,8
| 10,7
|
|
| 12,6
|
| 1/23
| 21,1
| 13,5
|
|
| 14,5
|
| 1/26
| 24,4
| 15,5
|
Даже для больших волн h/λ мало. Поэтому теория волн была разработана для волн малой амплитуды.
Профиль волны существенно меняется на мелководье. Волны становятся круче и короче. Вязкость жидкости практически не оказывает на процессы волнообразования существенного влияния. Это позволяет считать жидкость идеальной.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|