Волновые процессы в природе

Физико-математический факультет

Кафедра физики и методики обучения физике

ДОКЛАД

Волновые процессы в природе

Автор работы _______________________________ Налейкина Е.С.

Содержание

Введение

Окружающий нас мир наполнен самыми различными колебаниями. Человек в незапамятные времена заметил, что от быстро колеблющегося предмета получается звук и так появилась музыка. Человек бросал камни в воду и наблюдал за расходящимися кругами. Постепенно человек стал понимать природу колебательного процесса и постарался поставить его себе на службу. Поставив задачу измерить время, человек изобрел часы с маятником. А пытаясь заглянуть во внутрь тела изобрел аппарат ультразвуковой диагностики. Изучая дельфинов и летучих мышей человек открыл явление ультразвуковой локации. Исследовав колебания низкой частоты - инфразвуки, человек тоже поставил их себе на службу - исследуя атмосферу, ища залежи полезных ископаемых и изучая строение Земли, научился прогнозировать землетрясения. Кроме того, машины создающие колебания активно применяются в строительстве как уплотнители или наоборот разрыхлители материалов. Колебаниями можно обрабатывать различные материалы.

Таким образом, и сегодня, не потеряли своей актуальности и имеют огромное значение вопросы, связанные с механическими колебаниями и волнами, как в природе, так и технике.

Колебания и волны различной природы изучаются в настоящее время в одном «волновом» концентре. Такое объединение учебного материала вызвано двумя причинами: нет такой области физики и техники, где бы ни проявлялись колебательные и волновые процессы; соответствующие законы обладают универсальностью и всеобщностью.

Колебательные и волновые движения - один из самых распространённых движений в природе. Излучение колебаний и волн - это мощный инструмент познания, универсальный ключ ко многим тайнам природы. Недаром академик Л. И. Мандельштам говорил, что если посмотреть историю физики, то можно увидеть, что главные открытия, по существу, были колебательными.

Целью данной курсовой работы является изучение волновых процессов в природе.

Задачами курсовой работы являются:

• Определение понятия волнового процесса;

• описание волновых явлений;

• рассмотрение гармонической волна и ее параметров

• описание волновых процессов в океане;

• описание звуковых явления в природе.

Объектом исследования является волновой процесс.

Предметом исследования является определение волновых процессов в природе.

В ходе исследования применялись следующие методы: анализ, моделирование, изучение научной литературы и ее обобщение.

Информационной базой курсовой работы является научная и техническая литература, электронные источники.

1. Общие сведения о волновых процессах

1.1. Понятие волнового процесса

Волновым процессом называется любое изменение (возмущение) состояния сплошной среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию.

Существует большое многообразие волновых процессов (типов волн): звуковые волны, сейсмические, волны на поверхности воды, волны механических колебаний в кристаллах, радиоволны, оптические волны. Во всех волновых процессах наблюдаются сходные закономерности поведения в пространстве и во времени, которые описываются одинаковыми математическими моделями и исследуются общими методами.

Выделим два основных типа волн: упругие и электромагнитные. Упругие (другое название акустические от греческого слова acustikos – слуховой) волны – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды (жидкой, газообразной, твердой). При этом имеет место перенос энергии при отсутствии переноса вещества. В акустической волне частицы совершают колебания вокруг точки покоя. Волна, у которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения, называется продольной волной. Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, акустическая волна называется поперечной или сдвиговой. Среди упругих волн самые низкие частоты имеют инфразвуковые волны, лежащие ниже границы слышимости их человеком (ниже 16 Гц). Слышимые звуковые колебания занимают диапазон частот от 16 Гц до 20 кГц. Волны более высоких частот – ультразвуковые (от 20 кГц до 1 ГГц) и гиперзвуковые (от 1 ГГц до 1000 ГГц).

Электромагнитные волны – это распространяющиеся в пространстве переменные во времени электромагнитные поля. Электромагнитные волны всегда имеют поперечные к направлению распространения, составляющие векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Продольные составляющие этих векторов могут существовать лишь при определенных условиях (у границ раздела разных сред, вблизи возбуждающих источников, в линиях передачи). Чисто продольных электромагнитных волн не существует. Среди электромагнитных волн выделяют радиоволны с диапазоном частот от Гц до Гц. Далее по частоте расположен оптический диапазон от Гц до Гц, включающий инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения. На более высоких частотах происходят рентгеновское и гамма – излучения.

Наука, занимающаяся изучением излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн, называется электродинамикой. До диапазона инфракрасных волн все среды можно рассматривать как сплошные без учета их внутренней микроструктуры, волновыми процессами в таких средах занимается классическая электродинамика. На более высоких частотах следует учитывать микроструктуру среды и дискретность электромагнитного излучения (поток фотонов). В этом случае электромагнитное излучение описывается методами квантовой электродинамики.

В окружающем нас мире происходит множество явлений, проявляющих черты колебательных и волновых процессов. Представление о них имеется у каждого человека, наблюдавшего движение маятника или волны, бегущие на поверхности воды. Курс общей физики дополняет наше представление другими конкретными примерами. Несмотря на многообразие ситуаций и различие в способах описания, можно выделить много общего в протекании процессов различной физической природы. Изучение именно этих общих закономерностей составляет предмет специальных курсов теории колебаний и теории волн.

Колебаниями называют ограниченные (и чаще всего повторяющиеся) движения в окрестности некоторого среднего положения (например, устойчивого положения равновесия). О колебательном процессе можно говорить в случаях, когда состояние реальной системы допустимо описывать идеализированным способом: конечным набором параметров, изменяющихся во времени. Для математического маятника, например, таким параметром будет угол отклонения нити от вертикали; для связанных колебательных контуров параметров уже два (напряжения или токи в первом и втором контуре) и т.д. Колебательные процессы описываются одним или несколькими обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Волна – это распространение колебаний в пространстве, происходящее с конечной скоростью.

Волновой процесс – более сложная модель движения реальных систем, состояние которых зависит уже не только от времени, но и от пространственных переменных. Поэтому такие процессы описываются уравнениями, содержащими частные производные.

Критерием перехода от колебательного движения к волновому может служить «условие квазистационарности»: если характерные размеры системы ( − скорость распространения возмущения, − время его заметного изменения), о процессе можно говорить как о колебательном в системе с сосредоточенными параметрами. В случае процесс нужно считать волновым, а систему − распределенной.

Волны обычно служат наиболее быстрым механизмом переноса энергии, позволяющим осуществить в системе переход от неравновесного состояния к равновесному. При этом не происходит существенного перемещения вещества, хотя такое перемещение иногда возможно, как побочное явление, сопровождающее распространение волны. Волновой процесс − это одна из важнейших форм движения материи; в той или иной мере волновые движения присущи всем без исключения объектам материального мира. Как показали эксперименты по дифракции и рассеянию микрочастиц, корпускулярно−волновой дуализм есть фундаментальное свойство материи вообще, и для описания состояния квантовых систем необходимо пользоваться волновыми функциями.

Волновые процессы − нелинейные и линейные − в настоящее время интенсивно изучаются в различных областях физики: электродинамике, физике плазмы, оптике, радиофизике, акустике, гидродинамике и т. д. Механизмы распространения возмущений, естественно, сильно отличаются друг от друга. Например, упругие волны в жидкостях и газах существуют вследствие того, что коллективное движение частиц среды создает чередующиеся сжатия и разрежения, которые вызывают движение в следующем слое жидкости (газа). Возмущение передается от слоя к слою преимущественно в направлении, вдоль которого происходят колебания частиц, т.е. волны в жидкостях и газах являются продольными. Твердые тела обладают сдвиговой упругостью, и в них могут распространяться поперечные волны. Распространение электромагнитных волн происходит вследствие того, что появляющееся в какой-либо точке пространства переменное электрическое поле возбуждает в соседних точках магнитное поле и наоборот.

Различие физических механизмов, реализующих волновой процесс, приводит к различным способам описания, основанным на сильно отличающихся друг от друга системах уравнений. Однако для понимания наиболее фундаментальных явлений, свойственных волнам различной природы − интерференции, дифракции, дисперсии, отражения и преломления, рассеяния и т.д., − часто нет необходимости анализировать исходные, вообще говоря, сложные системы уравнений. Простые эффекты, как правило, описываются простыми и поэтому универсальными математическими моделями. В дальнейшем изложении мы будем приводить иллюстративный вывод этих упрощенных уравнений в основном для двух важнейших (с точки зрения приложений) типов волн − акустических и электромагнитных; главное же внимание будет уделено анализу вытекающих из них эффектов.

Излагая современную теорию волн, необходимо особо остановиться на нелинейных волновых процессах − сравнительно новом круге вопросов, в последнее время нашедших ряд важных практических применений.

Известно, что в теории колебаний нелинейные процессы играют очень большую роль. Развитие нелинейной теории колебаний тесно связано с развитием радиотехники, поскольку процессы генерации, модуляции и приема радиоволн связаны с нелинейными колебательными процессами. В то время, когда для целей радиосвязи использовались радиоволны с длиной порядка десятков и сотен метров, можно было всегда считать, что длина волны намного превышает размеры приемных и передающих устройств и нелинейные явления, лежащие в основе их работы, имеют характер колебательных процессов. Процессы же передачи электромагнитной энергии от передатчика к приемнику − волновые процессы − почти всегда можно было считать линейными (исключение составляла кросс-модуляция в ионосфере).

С переходом к сантиметровым и миллиметровым волнам длина волны стала сравнимой или даже меньшей размеров приемной и передающей аппаратуры. Были созданы генераторы и усилители, принцип работы которых основан на закономерностях волновых процессов − электронные лампы с бегущей и обратной волной и т.д., появились материалы с нелинейными характеристиками в диапазоне СВЧ.

После создания источников мощного ультразвука началось интенсивное изучение нелинейных эффектов при распространении звуковых волн в среде. Эти эффекты существенны, когда возмущения характерных параметров − давления, плотности и др. − не слишком малы по сравнению с их равновесными значениями. Мощная синусоидальная звуковая волна, например, в слабо диссипативной среде превращается на некотором расстоянии в пилообразную волну.

Создание оптических квантовых генераторов позволило реализовать электромагнитные поля, напряженность которых сравнима с внутриатомными полями, и осуществить таким образом взаимодействие световых волн.

Увеличение интенсивности звуковых и световых полей привело к тому, что нелинейные эффекты при распространении волн стали сейчас иметь столь же большое значение, как и нелинейные процессы в теории колебаний. Родились две новые области − нелинейная оптика и нелинейная акустика, значительно расширившие область использования волновых явлений. В настоящее время взаимодействия волн активно исследуются и во многих других разделах физики.

В теории волн фундаментальное значение имеет линейное уравнение в частных производных второго порядка гиперболического типа

(1.1)

Уравнение (1.1) называется волновым уравнением. Посредством обозначен оператор Лапласа, который в зависимости от физической постановки задачи записывается либо в декартовых, либо в криволинейных (цилиндрических, сферических и др.) координатах; c − константа, характеризующая свойства среды. Как будет показано далее, уравнение (1.1) допускает решение в виде распространяющихся возмущений − бегущих волн.

Роль уравнения (1.1) аналогична роли уравнения гармонического осциллятора в теории колебаний:

(1.2)

Подобно тому, как модель гармонического осциллятора можно усложнить введением в (1.2) дополнительных членов, ответственных за нелинейность, затухание, влияние внешних сил (вынужденные колебания) и т.д., соответствующие обобщения для волн можно сделать на основе уравнения (1.1).

Так, в присутствии источников или внешних сил процесс возбуждения и распространения волн описывается неоднородным уравнением

(1.3)

где − некоторая функция, характеризующая распределенные внешние воздействия.

В реальной среде могут происходить необратимые процессы передачи энергии волны частицам среды (диссипация); скорость распространения волны может стать функцией частоты (дисперсия). Эти явления должны учитываться введением в волновое уравнение (1.1) дополнительных линейных членов :

(1.4)

структура которых может быть различной в зависимости от конкретных физических механизмов взаимодействия волн со средой. Уравнение (1.1) и его обобщения (1.3), (1.4) могут быть записаны как для скалярной переменной u (имеющей смысл, например, приращения плотности или давления в звуковой волне), так и для векторной переменной u (например, напряженностей E и H поля электромагнитной волны).

Решение волнового уравнения должно находиться с учетом начальных и граничных условий, отвечающих физической постановке задачи.

Уравнениями (1.3), (1.4) описываются волны в однородных изотропных средах. Задачи, связанные с распространением волн в линейных диспергирующих и недиспергирующих средах, с определением поля по заданным источникам, с отражением и преломлением волн на границах раздела однородных сред, с распространением волн в волноводах, длинных линиях, других направляющих системах и т.д., сводятся к решению уравнений типа (1.1), (1.3), (1.4) с соответствующими граничными условиями.

Если среда анизотропна, то процесс распространения волн может описываться гиперболическими уравнениями не второго, а более высокого (например, четвертого) порядка, которые приводятся к уравнениям второго порядка только при специальных предположениях о характере протекания волнового процесса в анизотропной среде. Такого типа задачи встречаются при исследовании распространения световых волн в кристаллах, электромагнитных волн в плазме или феррите, находящихся в магнитном поле, упругих волн в анизотропных твердых телах и т.д. Если среда неоднородна, т.е. свойства среды регулярным или случайным образом зависят от координат, то уравнение, описывающее волновой процесс, может быть приведено к виду, аналогичному (1.1) или (1.3). Однако c при этом не константа, а функция координат: . Распространение электромагнитных волн в атмосфере и ионосфере, распространение низкочастотного звука в океане описывается волновым уравнением такого типа.

1.2. Волновые явления

Акустические и электромагнитные волны, распространяющиеся в различных средах и устройствах, подчиняются единым волновым законам. Это явления возбуждения волн конкретными источниками, отражения и преломления волн на границе раздела сред, рассеяние на неоднородностях, рефракция (искривление траектории распространения волн), поглощение энергии, интерференция.

Распространение волн любой природы легко понять и объяснить, если обратиться к принципу Гюйгенса: каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной. Наблюдаемый волновой фронт представляет собой результат сложения множества элементарных волн (рис. 1.1). Принцип Гюйгенса справедлив для всех видов волн, в том числе для акустических и электромагнитных.

Рисунок 1.1 – Положение фронта волны в разные моменты времени,

определяемое на основе принципа Гюйгенса

Направление распространения волны обычно называют лучом. Волновой фронт перпендикулярен лучу. У цилиндрических и сферических волн, распространяющихся от источника возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые фронты представляют собой соответственно цилиндры или сферы (рис. 1.2 а). В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости (рис. 1.2 б).

Если на пути распространения волны встречается граница со средой, свойства которой отличаются от свойств среды распространения, наблюдается эффект частичного или полного отражения, а также частичного (а в некоторых случаях и полного) прохождения во вторую среду. Поскольку фронт волны перпендикулярен направлению распространения волны в однородной среде, то из простых геометрических построений доказывается равенство углов падения и отражения волн (рис. 1.3). Однако в отличие от электромагнитных волн для акустических в ряде случаев может наблюдаться эффект расщепления волн и появление волнового луча, отраженного под другим углом.

Направление распространения преломленных волн зависит от соотношения скорости распространения волн в первой и второй средах (рис. 1.4). Анализ поведения волн на границе раздела сред легко выполнить на основе применения принципа Гюйгенса и рассмотрения элементарных волн, возбуждаемых на границе.

а б

Рисунок 1.2 – Волновые фронты и лучи:

а – в радиально распространяющейся волне; б – в плоской волне

Рисунок 1.3 – Отражение плоской волны на границе раздела сред

Если свойства среды, влияющие на скорость распространения волны, меняются, то может наблюдаться такое явление, как рефракция. Рефракцией называется искривление траектории распространения волны в неоднородной среде.

Рисунок 1.4 – Преломление плоской волны на границе раздела сред

Если на пути распространения волны встречается какое-либо тело, то это приводит к нарушению структуры поля. Например, наблюдается эффект огибания волнами препятствия. В физике подобное явление называют дифракцией. Возникающая при этом картина поля существенно зависит от соотношения размеров препятствий и длины волны. На рис. 1.5 показано, как меняется структура поля плоской волны, «просачивающейся» через отверстие малых размеров. В ряде случаев анализ дифрагированного поля можно вновь выполнить на основе рассмотрения элементарных волн и принципа Гюйгенса.

Рисунок 1.5 – Дифракция плоской волны на отверстии малых размеров

Возникновение дополнительных акустических или электромагнитных полей в результате дифракции соответствующих волн на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях среды, а также на неровных и неоднородных границах сред, называется рассеянием волн. При рассеянии результирующее поле можно представить в виде суммы первичной волны, существовавшей в отсутствие препятствий, и рассеянной (вторичной) волны, возникшей в результате взаимодействия первичной волны с препятствиями. Если препятствий много, то общая картина поля образуется суммированием повторно и многократно рассеянных волн.

Еще одно важное понятие, используемое в теории волновых процессов, – интерференция волн. Интерференцией волн называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция наблюдается у волн любой природы, в том числе, у акустических и электромагнитных.

Рисунок 1.6 – Интерференционная картина сложения волн двух источников

1.3 Гармоническая волна и ее параметры

Гармоническая волна – волна, изменяющаяся во времени по гармоническому (синусоидальному) закону. Для этой волны также употребляется термин монохроматическая (одноцветная) волна, заимствованный из оптики. Любой волновой процесс можно представить с помощью преобразований Фурье через гармонические волны.

Кратко остановимся на основных определениях и понятиях гармонической волны. Уравнения плоской гармонической волны, распространяющейся, например, вдоль оси z в среде без потерь записывается в следующем виде

(1.5)

Под величиной A понимается физическая величина, определяющая волновой процесс. Максимальное значение этой величины называется амплитудой, обозначенной в (1.5) через . Размерность амплитуды определяется природой волнового процесса. Например, в звуковых волнах амплитуда измеряется в единицах давления паскалях (Па), в электромагнитных волнах амплитуда напряженности электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), а магнитного поля – в амперах на метр (А/м).

Выражение, стоящее в скобках (1.5), называется фазой колебания, через которую определяется значение физической величины в данный момент времени и в данной точке пространства. Константа j₀ называется начальной фазой, использование которой имеет смысл при сравнении двух и более волн одной частоты в данной точке пространства и в фиксированный момент времени. Круговая частота w связана с частотой f (число колебаний в единицу времени) соотношением

(1.6)

Частота w измеряется в радианах в секунду, частота f в герцах (1Гц – одно колебание в секунду). При известной частоте f период колебания находится из соотношения

. (1.7)

Из периодичности волнового процесса в пространстве определяется длина волны

. (1.8)

Таким образом, длина волны – пространственный интервал, по прохождению которого фаза волны меняется на вдоль направления распространения. Число длин волн, укладывающихся на расстоянии метров, называется волновым числом и обозначается k.

Поверхность, на которой волновой процесс имеет одинаковую фазу колебания, называется поверхностью равных фаз или фронтом волны. По форме фронта волны можно выделить плоские, цилиндрические и сферические волны. Поверхность, на которой амплитуда волнового процесса постоянна, называется поверхностью равных амплитуд. Волна называется однородной, если у нее поверхности равных амплитуд и равных фаз совпадают, то есть на поверхности фронта не меняется амплитуда волнового процесса. В неоднородной волне амплитуда на поверхности фронта изменяется.

Плотность потока энергии (или интенсивность) волны – это энергия, переносимая волной через единицу перпендикулярно ориентированной поверхности за единицу времени. Плотность потока энергии пропорциональна квадратуре амплитуды волны

, (1.9)

где p – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды и типа волны;

– единичный вектор, показывающий направление распространения энергии.

Вектор плотности потока энергии в единицу времени (плотности потока мощности) принято называть вектором Умова-Пойнтинга.

Распространение волны происходит в направлении, перпендикулярном поверхности фронта волны. Плоская волна идет в одном направлении по нормали к ее фронту. Цилиндрическая волна расходится по радиусу в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Сферическая волна расходится по радиусу перпендикулярно сферическому фронту. Элемент поверхности цилиндрического фронта возрастает прямо пропорционально расстоянию, при этом плотность потока мощности убывает обратно пропорционально расстоянию, а амплитуда цилиндрической волны убывает обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. Элемент поверхности сферического фронта возрастает пропорционально квадрату расстояния, плотность потока мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а амплитуда сферической волны убывает обратно пропорционально расстоянию. В среде с потерями распространяющиеся волны теряют часть своей энергии и их амплитуды убывают по экспоненциальному закону вдоль направления распространения.

2. Волновые процессы в природе

2.1. Волновые процессы в океане

Физика волновых процессов в природных средах относится к числу важнейших научных направлений в области радиофизики и является одним из профильных направлений работ ИПФ РАН. Естественным поэтому является интерес сотрудников Отделения к исследованию динамики верхнего слоя океана, которая отличается исключительным разнообразием нелинейных волновых явлений. Достигнутый в Отделении прогресс в этих исследованиях в значительной степени обеспечен как фундаментальными результатами по общей теории нелинейных волн, положенными в основу разработки физических и численных моделей волновых явлений в океане, так и созданием мощной экспериментальной базы, включающей уникальные установки и измерительные комплексы для выполнения лабораторных и натурных экспериментов.

Хорошо известно, что в океане могут распространяться волны различной природы с разнообразными дисперсионными и нелинейными свойствами. Наиболее популярными и важными объектами исследований являются волны на поверхности океана самых разных пространственных масштабов (ветровые, капиллярные, волны цунами), внутренние волны (специфический тип волн, характерный для океана как вертикально-стратифицированной среды), а также взаимодействие внутренних и поверхностных волн. Кроме того, верхний слой океана является типичным примером открытой неравновесной среды, в которой возможно, как нарастание волновых возмущений (обусловленное наличием течений и приповерхностного ветра), так и их естественное затухание (обусловленное передачей энергии в мелкомасштабные движения). Анализ этих явлений связан с исследованием вопросов взаимодействия волн с потоками и турбулентностью. Многие из полученных в Отделении результатов по всей этой проблематике получили широкую известность и признание в мировом сообществе.

Исследование волновых процессов в верхнем слое океана имеет большое значение не только с фундаментальной точки зрения, но и как научная основа для развития методов дистанционной диагностики океана и разработки перспективных технических средств диагностики, прежде всего, радиолокационных и оптических. Это направление также составляет важную часть работ Отделения в области гидрофизики.

Ряд важных результатов был получен в Отделении при исследовании наиболее известного и доступного для наблюдения типа природных волн – поверхностных волн. Универсальные методы теории нелинейных колебаний и волн, развитые в нижегородской школе радиофизики, оказались эффективными при описании поверхностных волн самых различных диапазонов – от капиллярной ряби (длина волны составляет несколько миллиметров) до волн цунами (длиной несколько десятков километров). Самые длинные поверхностные волны в открытом океане – цунами – имеют, как правило, сейсмическое происхождение. В группе, возглавляемой проф. Е.Н. Пелиновским, успешно развиваются методы адекватной оценки цунами–риска, основанные на численном моделировании уже прошедших и прогнозируемых событий в рамках нелинейной теории волн на воде и методов экстремальной статистики. Выполненное моделирование ряда цунами последних лет, включая два катастрофических цунами, возникших в результате извержения вулкана Кракатау (27.08.1883) [1] и землетрясения в Индонезии (26.12.2004), позволили рассчитать высоты прибрежной волны и оценить цунами–риск для соответствующих акваторий Мирового океана.

Пример численного моделирования диаграммы распространения волны цунами в Индийском океане после землетрясения 26.12.2004.

Рисунок 2.1 – Пример численного моделирования диаграммы распространения волны цунами в Индийском океане после землетрясения 26.12.2004.

Хорошее совпадение с имеющимися данными наблюдений показало практическую пригодность развитой модели и ее эффективность для подготовки прогноза цунами–риска для конкретных акваторий. На ее основе выполнено предварительное районирование степени цунами– риска для морей России (Японское, Черное и Каспийские моря). Проведена также реконструкция локального цунами на Волге, случившегося в результате гигантского оползня в районе Нижнего Новгорода в 1597 г. [4].

В последнее время одной из актуальных проблем физической океанологии стали аномальные поверхностные волны – длинные ветровые волны аномально большой амплитуды (в два и более раз превышающие средний уровень). Такие волны, внезапно появляющиеся на морской поверхности и так же быстро исчезающие, представляют значительную опасность для судоходства, нефтяных платформ и получили образное название волн-убийц [5].

Рисунок 2.2 – Первая инструментальная запись аномальной волны в Черном море

Группой проф. Е.Н. Пелиновского развиваются теоретические модели формирования таких аномальных волн на поверхности океана, связанные эффектами собственной динамики ветровых волн [6]. Эти модели включают в себя дисперсионное сжатие волновых пакетов ветровых волн, их геометрическое фокусировку, нелинейную модуляционную неустойчивость и другие волновые эффекты. Разработанная теория применена для анализа и объяснения первой инструментальной записи волны-убийцы в Черном море [7]. Уникальная волна зарегистрирована стационарным буем у побережья г. Геленджик в 2001 году и превысила высоту фонового волнения в 3,9 раза (см. рисунок). Показано, что ее формирование является результатом наложения группы интенсивных волн, образующих долгоживущий нелинейный волновой пакет (солитон), и пространственно-временной фокусировки частотномодулированного цуга волн (по результатам численного моделирования, характерное время жизни такого образования составляет всего 4-5 сек, за которые волна пробегает около 20 м).

Другой важнейший тип волн, во многом определяющий динамику нелинейных процессов в верхнем слое океана – внутренние волны (ВВ). Как и поверхностные ветровые волны, эти волны имеют гравитационную природу: они формируются в области наибольших градиентов вертикально-неоднородного профиля плотности океанической воды – в области пикноклина. Основную роль в формировании пикноклина играет стратификация глубинного профиля температуры. Это важное обстоятельство было положено в основу создания масштабной лабораторной модели верхнего слоя океана, реализованной в Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН (см. ниже).

Среди наиболее важных и широко известных результатов, полученных в области исследования ВВ еще в 70-80-е годы – асимптотическая теория распространения ВВ и новое эволюционное уравнение ВВ для вращающегося океана (уравнение Островского); исследование генерации ВВ сдвиговыми потоками в рамках концепции волн отрицательной энергии; изучение механизмов затухания ВВ на турбулентности. Результатом этих исследований явилось построение схемы энергетического баланса ВВ в верхнем слое океана.

настоящее время исследования нелинейных ВВ сосредоточены на теоретическом моделировании ВВ большой интенсивности и эволюции интенсивных пакетов и солитонов ВВ на океаническом шельфе. Значительное место в текущих исследованиях занимает численное моделирование динамики ВВ в условиях переменной батиметрии и изменчивости других океанологических параметров, позволяющее делать реалистичный прогноз эволюции ВВ в прибрежных акваториях.

Рисунок 2.3 – Распад длинной приливной волны на последовательность импульсов – солитонов интенсивных внутренних волн

Среди исследований в области гидрофизики значительное место занимает изучение взаимодействия волн различных пространственных и временных масштабов. Взаимодействие поверхностных и внутренних волн – один из наиболее интересных и богатых на эффекты примеров такого взаимодействия в природных условиях. Исследования по этой проблеме, проводящиеся в ИПФ РАН с момента его основания, обусловлены принципиальной возможностью использования подобных эффектов в целях развития методов дистанционной (радиолокационной, оптической) диагностики глубинных процессов по наблюдениям картины поверхностных волн. Традиционные контактные средства регистрации параметров ВВ трудоемки, дороги и не позволяют получать необходимую информацию на достаточно больших акваториях. Следствием этого является, в частности, ограниченность имеющихся фактических сведений о генерации и эволюции ВВ в реальном океане.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было показано, что физические механизмы воздействия ВВ на ветровое волнение существенно различны в разных диапазонах ветровых волн. Например, в диапазоне метровых и дециметровых волн определяющую роль играет механизм, связанный с непосредственным влиянием переменного подповерхностного течения, создаваемого ВВ, на кинематику поверхностных волн.

Соответствующая модель изменения характеристик поля ветровых волн под действием ВВ, развитая под руководством акад. В.И. Таланова, получила название кинематической модели и широко известна среди специалистов [13].

В высокочастотной части спектра поверхностного волнения (сантиметровая и миллиметровая рябь) основную роль играют другие эффекты – модуляция коэффициента затухания поверхностных волн вследствие перераспределения под действием ВВ пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) и влияние на характеристики ветрового волнения изменения турбулентности приповерхностного слоя в присутствии ВВ. В последнее время появились экспериментальные данные, указывающие на существенную роль каскадных механизмов воздействия ВВ на короткие (сантиметровые) ветровые волны: течение, создаваемое на поверхности внутренней волной, трансформирует дециметровые волны, а они, в свою очередь, воздействуют на сантиметровую рябь [5,6]. Кроме того, неоднородное поле течений, созданное ВВ, вызывает изменчивость поля скорости ветра над водной поверхностью, что приводит к модуляции инкремента коротких ветровых волн [8].

Фундаментальные результаты теоретических и экспериментальных исследований физических механизмов воздействия ВВ и неоднородных течений на ветровые волны были положены в основу разработки и практического использования радиофизических методов и средств дистанционной диагностики верхнего слоя океана (см. следующий раздел).

Рисунок 2.4 – Радиолокационное изображение цуга внутренних волн на поверхности океана

2.2. Звуковые явления в природе

Как известно из физики, источником звуковых колебаний является волна.

Упругие волны, которые распространяются в сплошных средах, называют звуковыми. К звуковым волнам принадлежат волны, частоты которых лежит в пределах восприятия органами слуха. Человек воспринимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которых лежит в интервале более 20 000 Гц – ультразвуковыми.

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения, преломления на границах различных сред и его рассеяние (при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах);

а также ему характерны такие свойства, как интерференция (наложение звуковых волн), дифракция (огибание волнами препятствий), поглощение (результат трения частиц друг об друга).

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении.

В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание.

Амплитуда колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука.

Вопросами возникновения и распространения, а также поглощения звука занимается акустика. За последние 10 лет физическая акустика открыла звуки, которые лежат за пределами слышимости. Их изучает ультраакустика. Техническая акустика занимается процессами получения, передачи и приемов звукозаписи с помощью электроприборов.

Следующий раздел, изучающий распространение звука в помещении – архитектурная акустика. Для нее важны не только размеры и формы помещения, где исследуется звук, но также и материалы, которые покрывают стены и потолки помещения. Музыкальная акустика изучает природу и происхождение музыкальных звуков.

Наряду с другими разделами, существует и морская акустика (гидроакустика). Она призвана изучать звуковые явления в водной среде. Гидроакустика необходима для разработки, а также создания звуковых приборов, которые можно использовать на подводных лодках. Есть еще один вид – атмосферная акустика. Она изучает звуковые явления в атмосфере. Физиологическая акустика стоит на страже органов слуха. Благодаря ей мы знаем возможности наших органов, их устройство и действие. Данный вид акустики изучает образование звуков органов речи.

И последний вид – это биологическая акустика. Она рассматривает вопросы ультразвукового и звукового общения животных. Также она изучает механизмы локации, которыми пользуются звери, кроме того, биологическая акустика призвана исследовать проблемы шума и вибрации, она необходима для того, чтобы бороться с вредными шумами и для оздоровления окружающей среды.

На нашей планете есть места, известные за счёт феномена гула. Его описывают, как постоянное и низкочастотное гудение. Источник этого звука до сих пор не обнаружен. Город Талас в Нью-Мексико обладает таким аномальным источником звука. Удивительно, что этот гул слышат только 2% из местных жителей города, они говорят, что звук является чрезвычайно тревожным.

Одним из самых приятных звуков человек считает мурлыканье кошек. Ученые до сих пор изучают это явление. Происхождение этого звука до сих пор не могут установить. Не менее удивительными в природе считаются очень сложные и длинные звуки, которые издают самцы горбатых китов. Многие ученые считали, что это необходимо для привлечения самок, но последние исследования доказали, что звук привлекает вовсе не самок, а самцов.

В природе существует огромное количество звуков. Мы слышим раскаты грома. Зимой под нашими ногами хрустит снег. Если закричать в лесу, то мы услышим эхо. Оно тоже является примером звуковых явлений в природе.

Таким образом, мы рассмотрели примеры звуковых явлений в физике и природе.

Заключение

С колебаниями и волнами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются одни и те же закономерности, которые описываются одинаковыми математическими и физическими моделями и исследуются общими методами.

Целью данной курсовой работы было изучение волновых процессов в природе.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

• Определено понятие волнового процесса;

• описаны волновые явления;

• рассмотрена гармоническая волна и ее параметры;

• описаны волновые процессы в океане;

• описаны звуковые явления в природе.

Таким образом поставленные задачи были выполнены.

Список использованных источников

1. Арсланов, В. А. Амин Афтахович Тарзиманов: моногр. / В.А. Арсланов. - М.: Бибком, 2013. - 408 c.

2. Бабаев, В. С. Универсальное справочное пособие по физике / В.С. Бабаев, А.В. Тарабанов. - Москва: Огни, 2005. - 400 c.

3. Бахвалов, Н.С. Осреднение процессов в периодических средах. Математические задачи механики композиционных материалов. / Н.С. Бахвалов, Г.П. Панасенко. - М.: [не указано], 1984. - 792 c.

4. Бутенин, Н.В. Введение в теорию нелинейных колебаний / Н.В. Бутенин, Ю.И. Неймарк, Н.Л. Фуфаев. - М.: [не указано], 1982. - 180 c.

5. Вайнберг, Стивен Объясняя мир. Истоки современной науки: моногр. / Стивен Вайнберг. - М.: Альпина Диджитал, 2015. - 788 c.

6. Голямина, И.П. Ультразвук / И.П. Голямина. - М.: [не указано], 1979. - 730 c.

7. Демидова, М. Ю. ЕГЭ 2016. Физика. Типовые тестовые задания / М.Ю. Демидова, В.А. Грибов. - М.: Экзамен, 2016. - 192 c.

8. Зарембо, Л.К Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности / Л.К, Зарембо, В.А. Красильников. - М.: [не указано], 2005. - 146 c.

9. Заславский, Г.М. Взаимодейстивие волн в неоднородных средах / Г.М. Заславский, В.П. Мейтлис, Н.Н. Филоненко. - М.: [не указано], 2006. - 797 c.

10. Иродов, И. Е. Задачи по общей физике. Учебное пособие для вузов / И.Е. Иродов. - М.: Лаборатория знаний, 2012. - 531 c.

11. Исакович, М. Общая акустика / М. Исакович. - М.: [не указано], 2011. - 468 c.

12. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах (том 1): моногр. / А. Исимару. - М.: [не указано], 1981. - 626 c.

13. Карпман, В.И. Нелинейные волны в диспергирующих средах / В.И. Карпман. - М.: [не указано], 1993. - 846 c.

14. Кузнецов, А.П. Линейные колебания и волны (сборник задач) / А.П. Кузнецов, А.Г. Рожнев, Г.И. Трубецков. - М.: [не указано], 2001. - 385 c.

15. Лайтхилл, Дж. Волны в жидкостях / Дж. Лайтхилл. - М.: [не указано], 1981. - 290 c.

16. Люиселл, У. Излучение и шумы в квантовой электронике / У. Люиселл. - М.: [не указано], 1994. - 322 c.

17. Магнус, К. Колебания: моногр. / К. Магнус. - М.: [не указано], 1982. - 303 c.

18. Моркотун, В.Л. Физика: Все законы и формулы в таблицах: 7-11 классы / В.Л. Моркотун. - М.: Книга по Требованию, 2008. - 160 c.

19. Неймарк, Ю.И. Стохастические и хаотические колебания / Ю.И. Неймарк, П.С. Ланда. - М.: [не указано], 1987. - 914 c.

20. Орлов, В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах / В.С. Орлов, В.С. Бондаренко. - М.: [не указано], 1984. - 691 c.

21. Практикум абитуриента по физике. - М.: МЦНМО, 2013. - 240 c.

22. Рабинович, М.И. Введение в теорию колебаний и волн / М.И. Рабинович, Д.И. Трубецков. - М.: [не указано], 2001. - 546 c.

23. Розенберг, Л.Д. Источники мощного ультразвука / Л.Д. Розенберг. - М.: [не указано], 1980. - 379 c.

24. Селиванов, В.В. Ударные и детонационные волны: методы исследования / В.В. Селиванов, В.С. Соловьев. - М.: [не указано], 1990. - 854 c.

25. Смарышев, Н.Д. Направленность гидроакустических антенн / Н.Д. Смарышев. - М.: [не указано], 2016. - 939 c.

26. Старжинский, В.М. Прикладные методы нелинейных колебаний / В.М. Старжинский. - М.: [не указано], 1978. - 145 c.

27. Тимашев, Сергей Фликкер-шумовая спектроскопия. Информация в хаотических сигналах / Сергей Тимашев. - Москва: Высшая школа, 2007. - 629 c.

28. Торн, Кип Интерстеллар: наука за кадром / Кип Торн. - М.: Манн, Иванов и Фербер, 2014. - 700 c.

29. Трофименко, Е. Е. Тренажер по физике для подготовки к централизованному тестированию и экзамену / Е.Е. Трофименко, С.И. Шеденков. - М.: ТетраСистемс, 2013. - 240 c.

30. Шендеров, Е.Л. Излучение и рассеяние звука / Е.Л. Шендеров. - М.: [не указано], 1989. - 928 c.