Главная > Нелинейные волны
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

1. Волны в средах с дисперсией

Изучение волн с дисперсией начнем с бегущих периодических волн, которые в линейной теории являются синусоидальными и могут быть представлены в комплексной форме:

действительные постоянные. Здесь амплитуда, волновое число (число колебаний на пространственном интервале частота (число колебаний на временном интервале Фазовая скорость волны Частота и волновое число связаны дисперсионным соотношением

где функция определяется из исходных уравнений задачи.

В качестве примеров приведем уравнение балки

для которого

Линейное уравнение Кортевега — де Вриза записывается следующим образом:

при

Ни одно из этих дифференциальных уравнений не относится к гиперболическому типу. Более того, решения в виде волн могут

допускать также интегральные уравнения. Например,

или

Следует заметить, что в (6) фазовая скорость представляет собой фурье-образ ядра обратно, ядро является фурье-образом

Аналогично, ядро в уравнении (7) есть фурье-образ величины Эти свойства полезны при составлении дифференциальных уравнений, которые будут приводить к данному дисперсионному соотношению; соответствующие ядра К или определяются по данной функции и используются в уравнениях (5) или (7). Если описывается полиномом, как в случае уравнений (3) и (4), то ядра содержат -функции и (5) и (7) сводятся к соответствующим дифференциальным уравнениям.

В линейной теории волн на воде имеются элементарные решения, которые приводят к выражению (1) для высоты поверхности воды относительно невозмущенного уровня; при этом дисперсионное соотношение записывается в виде

где глубина невозмущенной жидкости, ускорение свободного падения. В исходные уравнения наряду с координатами входит вертикальная координат у, однако зависимость от у не носит волнового характера. Соответствующая линейная задача для волн на воде сформулирована в гл. [V, разд. 3.

Такое разнообразие уравнений, описывающих волновое движение, показывает, что их общим свойством является скорее дисперсионного соотношения, чем тип уравнения.

В линейных задачах дифференциальные уравнения можно, пожалуй, рассматривать просто как «источники» соответствующего дисперсионного соотношения, отводя дифференциальным уравнениям второстепенную роль. Как отмечалось выше, по дисперсионному соотношению всегда можно восстановить связанное с ним дифференциальное уравнение. Для линейных уравнений в частных производных вида

[см., например, уравнения (3) и (4)] дисперсионное соотношение имеет простой вид:

с очевидным соответствием

между этими уравнениями. Ясно, что если в дифференциальных уравнениях полином, то мы всегда имеем полиномиальные дисперсионные соотношения. Уравнение (10) является трансцендентным вследствие того, что зависимость от у не описывает волнового движения. Вывод интегрального уравнения (5) с помощью (9) и (10) был выполнен Уиземом [1] и Селиджером [2].

Обобщение на двух- и трехмерные случаи осуществляется непосредственно подстановкой в уравнения (1) и (2) волнового вектора к, что дает

Фазовая скорость равна по величине и имеет направление вдоль волнового вектора k.

В линейных задачах более общие решения получают с помощью суперпозиции решений (1) или (11) с различными волновыми числами к и соответствующими частотами удовлетворяющими дисперсионному соотношению. В тех случаях, когда фазовая скорость не одинакова для всех значений к, мы имеем дело с «дисперсией». При этом спектральные компоненты, составляющие любое заданное возмущение, будут распространяться с различными скоростями, и возмущение расплывается («диспергирует»). Условие наличия у волн дисперсии удобно также определить с помощью корней дисперсионного соотношения (слегка изменив при этом определение). Будем считать, что линейные волны обладают дисперсией, если

В одномерном случае условие (12) записывается в виде

Разумеется, эти величины могут обращаться в нуль для отдельных значений к или предельных значений Условие (13) почти эквивалентно неравенству за исключением случая, когда для которого но с Впрочем, этот специальный случай не подлежит рассмотрению, поскольку в нем отсутствует какая-либо реальная дисперсия. Следует отметить также, что обычное волновое уравнение, для которого не содержит волн с дисперсией. Спектральный подход, использующий гармонические решения уравнения (1) и последующую суперпозицию таких волн, дает правильные результаты, но дисперсия при этом отсутствует. Свойства волн в более общих случаях, когда мы рассмотрим в следующем разделе.

Дисперсионное соотношение, используемое при получении общих решений методом Фурье и, как мы увидим ниже, в более непосредственных асимптотических методах, позволяет провести общее исследование линейных задач. Однако этого явно недостаточно для решения нелинейных задач. Можно сформулировать задачу о волнах с дисперсией, исходя из существования периодических волн, аналогичных (1), но суперпозицию фурье-компонент нельзя использовать для последующих операций.

Вероятно, впервые нелинейные волны с дисперсией были рассмотрены Стоксом в 1847 г. в связи с его исследованиями волн на воде. Для этих волн он нашел решение нелинейной задачи, используя разложение всех величин в ряд по степеням амплитуды, причем равномерная сходимость рядов обеспечивалась тем, что частота считалась зависящей от амплитуды. (Впоследствии этот метод стал известен как метод Пуанкаре!) В случае волн на глубокой воде соответствующие разложения для возвышения поверхности и частоты имеют вид

(Здесь отличается множителем от значений использованных в гл. IV.) Основная идея исследования Стокса состоит в том, что дисперсионное соотношение учитывает амплитуду, т. е. фазовая скорость зависит как от волнового числа, так и от амплитуды. Ниже мы рассмотрим простейшие примеры, в которых результаты, соответствующие разложению (14), выражены в замкнутой форме. Уравнение Кортевега — де Вриза (см. гл. IV

и VIII), которое приближенно описывает волны на мелкой воде, является одним из наиболее важных примеров такого рода. Его преимущество связано с тем, что можно исключить вертикальную координату и получить в результате простое уравнение для возвышения поверхности:

где Решения для периодических волн имеют вид

Подстановка выражений (16) в (15) приводит к обыкновенному дифференциальному уравнению. После двукратного его интегрирования получаем

здесь постоянные интегрирования. Решение можно записать через эллиптическую функцию Якоби ; соответствующие этому решению волны Кортевег и де Вриз назвали «кноидаль-ными». В предельном случае [когда кубический полином в правой части уравнения (17) имеет двукратно вырожденный нулевой корень] получаем уединенную волну. (Эти волны были рассмотрены подробно в гл. Для периодических волн соотношение между амплитудой (или модулем эллиптической функции) и параметрами определяется дисперсионным уравнением

Можно сделать общее заключение, которое состоит в том, что признаком нелинейных волн с дисперсией является существование решения в виде периодических волн

где -периодическая функция фазы ; решение для содержит в качестве параметра амплитуду а, и оно удовлетворяет дисперсионному соотношению вида (18). При этом оказывается, что как так и могут содержать и другие важные параметры.

Простейшим примером, который приобрел интерес в последнее время, может служить нелинейное обобщение уравнения Клейна — Гордона:

Это уравнение относится к гиперболическому типу, но нас интересует дисперсионное поведение волны вдали от ее фронта.

(Появление в одном и том же уравнении как «гиперболического», так и «дисперсионного» поведения решений еще раз демонстрирует сложность проблемы классификации.) Периодические решения удовлетворяют уравнению

первый интеграл которого записывается в виде

Постоянную интегрирования А можно использовать как параметр, эквивалентный амплитуде а. Уравнение (22) можно решить, причем для функции получим решение в неявной форме:

Период будем считать равным тогда по-прежнему будут определять число осцилляций на интервале по координате и времени. Таким образом, из (23) следует, что

здесь означает интегрирование по периоду. Это и есть дисперсионное соотношение, определяющее связь между

Следующий шаг состоит в том, чтобы использовать такие периодические волны для получения более общих (нестационарных) решений. Очевидно, что в линейных задачах общее решение находят методом суперпозиции спектральных компонент, т. е. используя фурье-синтез. Этот метод мы изучим в следующем разделе, прежде чем вернемся к рассмотрению нелинейных задач.

1
Оглавление
email@scask.ru