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;

α_в – 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.

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: