Disperze (vodní vlny) - Dispersion (water waves) - Wikipedia
v dynamika tekutin, disperze z vodní vlny obecně se odkazuje na frekvenční rozptyl, což znamená, že vlny různých vlnové délky cestovat na jiné fázové rychlosti. Vodní vlny jsou v této souvislosti vlny šířící se na vodní plocha, s gravitace a povrchové napětí jako obnovení sil. Jako výsledek, voda s volný povrch je obecně považován za a disperzní médium.
Pro určitou hloubku vody povrchové gravitační vlny - tj. Vlny vyskytující se na rozhraní vzduch - voda a gravitace jako jediná síla, která ji obnovuje do rovinnosti - se šíří rychleji s rostoucí vlnová délka. Na druhou stranu, pro danou (pevnou) vlnovou délku mají gravitační vlny v hlubší vodě větší rychlost fáze než v mělčí voda.[1] Na rozdíl od chování gravitačních vln, kapilární vlny (tj. pouze vynuceno povrchovým napětím) se šíří rychleji na kratší vlnové délky.
Kromě frekvenční disperze vykazují vodní vlny také amplitudovou disperzi. Tohle je nelineární efekt, kterým vlny větších amplituda mají jinou rychlost fáze od vln s malou amplitudou.
Frekvenční disperze pro povrchové gravitační vlny
Tato část pojednává o frekvenční disperzi vln na tekuté vrstvě vynucené gravitací a podle lineární teorie. Pro povrchové napětí účinky na frekvenční rozptyl, viz účinky povrchového napětí v teorii vzdušných vln a kapilární vlna.
Šíření a rozptyl vln

Nejjednodušší šířící se vlna neměnné formy je a sinusoida. Sinusová vlna s vodní hladinou nadmořská výška η (x, t) je dána:[2]
kde A je amplituda (v metrech) a θ = θ (x, t) je fázová funkce (v radiány ), v závislosti na vodorovné poloze (X , v metrech) a čas (t , v sekundy ):[3]
- s a
kde:
- λ je vlnová délka (v metrech),
- T je doba (v sekundách),
- k je vlnové číslo (v radiánech na metr) a
- ω je úhlová frekvence (v radiánech za sekundu).
Charakteristické fáze vodní vlny jsou:
Určitá fáze se opakuje po celé číslo m násobek 2π: hřích (θ) = hřích (θ + m • 2π).
Nezbytné pro vodní vlny a další vlnové jevy v fyzika, je to, že volné šířící se vlny nenulové amplitudy existují pouze tehdy, když je úhlová frekvence ω a vlnové číslo k (nebo ekvivalentně vlnová délka λ a období T ) uspokojit a funkční vztah: vztah frekvenční disperze[4][5]
Disperzní vztah má dvě řešení: ω = + Ω (k) a ω = −Ω (k), což odpovídá vlnám pohybujícím se v kladném nebo záporném směru X-směr. Rozptylový vztah bude obecně záviset na několika dalších parametrech kromě čísla vln k. Pro gravitační vlny jsou to podle lineární teorie gravitační zrychlení G a hloubka vody h. Disperzní vztah pro tyto vlny je:[6][5]
nebo
an implicitní rovnice s tanh označující hyperbolická tečna funkce.
Počáteční vlnová fáze θ = θ0 šíří se jako funkce prostoru a času. Jeho následná poloha je dána vztahem:
To ukazuje, že fáze se pohybuje rychlostí:[2]
která se nazývá fázová rychlost.
Fázová rychlost
![]() Rozptyl gravitačních vln na povrchu tekutiny. Fázová a skupinová rychlost dělená fázovou rychlostí mělké vody √gh jako funkce relativní hloubky h / λ. Modré čáry (A): fázová rychlost; Červené čáry (B): skupinová rychlost; Černá přerušovaná čára (C): fázová a skupinová rychlost √gh platí v mělké vodě. Tažené čáry: disperzní vztah platný v libovolné hloubce. Přerušované čáry (modrá a červená): limity hluboké vody. | ![]() Rozptyl gravitačních vln na povrchu tekutiny. Fázová a skupinová rychlost dělená fázovou rychlostí hlubinné vody √gλ / (2π) jako funkce relativní hloubky h / λ. Modré čáry (A): fázová rychlost; Červené čáry (B): skupinová rychlost; Černá přerušovaná čára (C): fázová a skupinová rychlost √gh platí v mělké vodě. Tažené čáry: disperzní vztah platný v libovolné hloubce. Přerušované čáry (modrá a červená): limity hluboké vody. |
A sinusový vlna, malé povrchové výšky amplituda a s konstantou vlnová délka se šíří s fázová rychlost, nazývané také celerita nebo fázová rychlost. Zatímco fázová rychlost je vektor a má přidružený směr, celerita nebo rychlost fáze se vztahují pouze k velikosti fázové rychlosti. Podle lineární teorie vln vynucených gravitací závisí rychlost fáze na vlnové délce a hloubce vody. Pro pevnou hloubku vody se dlouhé vlny (s velkou vlnovou délkou) šíří rychleji než kratší vlny.
Na levém obrázku je to vidět mělká voda vlny s vlnovými délkami λ mnohem větší než hloubka vody h, cestovat s fázovou rychlostí[2]
s G the gravitační zrychlení a Cp rychlost fáze. Protože tato rychlost fáze mělké vody je nezávislá na vlnové délce, vlny mělké vody nemají frekvenční rozptyl.
Použitím další normalizace pro stejný vztah disperze frekvence, obrázek vpravo ukazuje, že pro pevnou vlnovou délku λ rychlost fáze Cp se zvyšuje s rostoucí hloubkou vody.[1] Dokud v hluboké vodě s hloubkou vody h větší než polovina vlnové délky λ (tak pro h / λ> 0,5), fázová rychlost Cp je nezávislá na hloubce vody:[2]
s T vlna doba (dále jen reciproční z frekvence F, T = 1 / f ). V hluboké vodě se tedy fázová rychlost zvyšuje s vlnovou délkou as periodou.
Protože fázová rychlost vyhovuje Cp = λ / T = λf, vlnová délka a perioda (nebo frekvence) spolu souvisejí. Například v hluboké vodě:
Níže jsou uvedeny disperzní charakteristiky pro střední hloubku.
Skupinová rychlost

Více ... |
---|
V tomto případě hluboké vody je fázová rychlost dvojnásobná oproti skupinové rychlosti. Červený čtverec předjíždí dva zelené kruhy, když se pohybuje zleva doprava od obrázku. Zdá se, že se nové vlny objevují v zadní části vlnové skupiny, rostou v amplitudě, dokud nejsou ve středu skupiny, a mizí v čele vlnové skupiny. U gravitačních povrchových vln jsou rychlosti vodních částic ve většině případů mnohem menší než fázová rychlost. |
Rušení dvou sinusových vln s mírně odlišnými vlnovými délkami, ale stejnými amplituda a směr šíření vede k a porazit vzor, nazývané vlnová skupina. Jak je vidět na animaci, skupina se pohybuje rychlostí skupiny CG odlišné od fázové rychlosti Cp, kvůli frekvenčnímu rozptylu.
Rychlost skupiny je znázorněna červenými čarami (označené B) na dvou obrázcích výše. V mělké vodě se skupinová rychlost rovná fázové rychlosti mělké vody. Je to proto, že mělké vodní vlny nejsou disperzní. V hluboké vodě se skupinová rychlost rovná polovině fázové rychlosti: CG = ½ cp.[7]
Ukáže se, že rychlost skupiny je také rychlost přenosu energie. To je rychlost, s níž je střední vlnová energie vodorovně transportována v a úzkopásmový vlnové pole.[8][9]
V případě skupinové rychlosti odlišné od fázové rychlosti je důsledkem to, že počet vln počítaných ve vlnové skupině se liší, když se počítají ze snímku v prostoru v určitém okamžiku, od času, který se počítá v čase od měřené výšky povrchu ve pevné poloze. Zvažte vlnovou skupinu délky ΛG a skupinové trvání τG. Skupinová rychlost je:[10]

Více ... |
---|
Pro ukázaný případ, bichromatická skupina gravitačních vln na povrchu hluboké vody, je rychlost skupiny poloviční fázovou rychlostí. V tomto příkladu je 53⁄4 vlny mezi dvěma uzly skupin vln ve vesmíru, zatímco jich je 111⁄2 vlny mezi dvěma uzly skupin vln v čase. |

Počet vln ve skupině vln, měřený v prostoru v určitém okamžiku, je: ΛG / λ. Při měření na pevném místě v čase je počet vln ve skupině: τG / T. Poměr počtu vln měřených v prostoru k vlnám měřeným v čase je tedy:
Takže v hluboké vodě, s CG = ½ cp,[11] skupina vln má dvakrát tolik vln v čase než ve vesmíru.[12]
Nadmořská výška vodní hladiny η (x, t), jako funkce vodorovné polohy X a čas t, pro bichromatický vlnová skupina plná modulace může být matematicky formulováno jako:[11]
s:
- A vlna amplituda každé frekvenční složky v metrech,
- k1 a k2 the číslo vlny - každé vlnové složky v radiánech na metr a -
- ω1 a ω2 the úhlová frekvence každé vlnové složky v radiánech za sekundu.
Oba ω1 a k1, stejně jako ω2 a k2, musí splňovat disperzní vztah:
- a
Použitím trigonometrické identity, výška povrchu je zapsána jako:[10]
Část mezi hranatými závorkami je pomalu se měnící amplituda skupiny s číslem skupinové vlny ½ (k1 - k2 ) a skupinová úhlová frekvence ½ (ω1 - ω2 ). Výsledkem je rychlost skupiny pro limit k1 → k2 :[10][11]
Skupiny vln lze rozeznat pouze v případě úzkopásmového signálu s rozdílem počtu vln k1 - k2 malé ve srovnání se středním počtem vln ½ (k1 + k2).
Vícesložkové vlnové vzory

Více ... |
---|
U těchto tří komponent 22 (spodní), 25 (střední) a 29 (horní) vlnové délky vejde do vodorovné oblasti o délce 2 000 metrů. Složka s nejkratší vlnovou délkou (nahoře) se šíří nejpomaleji. Vlna amplitudy součástí je 1, 2 a 1 metr. Rozdíly ve vlnové délce a rychlost fáze komponent vede ke změně vzorce vlnové skupiny, kvůli zesílení, kde jsou komponenty ve fázi, a redukci, pokud jsou v antifázi. |
Účinek frekvenční disperze spočívá v tom, že vlny se pohybují jako funkce vlnové délky, takže se prostorové a časové fázové vlastnosti šířící se vlny neustále mění. Například, působením gravitace, vodní vlny s delší vlnová délka cestovat rychleji než ti s kratší vlnovou délkou.
Zatímco dvě superponované sinusové vlny, nazývané bichromatické vlny, mají obálka který cestuje beze změny, výsledkem tří nebo více složek sinusových vln je měnící se vzor vln a jejich obálky. A mořský stát - to znamená: skutečné vlny na moři nebo oceánu - lze popsat jako superpozici mnoha sinusových vln s různými vlnovými délkami, amplitudami, počátečními fázemi a směry šíření. Každá z těchto složek cestuje svou vlastní fázovou rychlostí v souladu s disperzním vztahem. The statistika takového povrchu lze popsat jeho výkonové spektrum.[13]
Disperzní vztah
V následující tabulce je disperzní vztah ω2 = [Ω (k)]2 mezi úhlovou frekvencí ω = 2π / T a číslo vlny k = 2π / λ je uveden, stejně jako fázové a skupinové rychlosti.[10]
Frekvenční rozptyl gravitačních vln na povrchu hluboké vody, mělké vody a v mezilehlé hloubce, podle teorie lineárních vln | |||||
---|---|---|---|---|---|
Množství | symbol | Jednotky | hluboká voda ( h > ½ λ ) | mělká voda ( h < 0.05 λ ) | střední hloubka ( Všechno λ a h ) |
disperzní vztah | rad / s | ||||
fázová rychlost | slečna | ||||
skupinová rychlost | slečna | ||||
poměr | - | ||||
vlnová délka | m | za dané období T, řešení: |
Hluboká voda odpovídá hloubkám vody větším než polovina vlnová délka, což je běžná situace v oceánu. V hluboké vodě se delší periodické vlny šíří rychleji a rychleji transportují svoji energii. Rychlost skupiny hlubinných vod je poloviční fázová rychlost. v mělká voda, pro vlnové délky větší než dvacetinásobek hloubky vody,[14] jak je poměrně často u pobřeží, skupinová rychlost se rovná fázové rychlosti.
Dějiny
Úplný vztah lineární disperze byl poprvé nalezen Pierre-Simon Laplace, i když v jeho řešení problému lineárních vln byly nějaké chyby. Kompletní teorie pro lineární vodní vlny, včetně disperze, byla odvozena George Biddell Airy a publikován kolem roku 1840. Podobnou rovnici našel také Philip Kelland přibližně ve stejnou dobu (ale udělal několik chyb při odvozování teorie vln).[15]
Mělká voda (s malým h / λ) limit, ω2 = gh k2, byl odvozen od Joseph Louis Lagrange.
Účinky povrchového napětí

Modré čáry (A): fázová rychlost, červené čáry (B): skupinová rychlost.
Tažené čáry: disperzní vztah pro gravitačně-kapilární vlny.
Přerušované čáry: disperzní vztah pro gravitační vlny hlubin.
Čárkované tečky: disperzní vztah platný pro hlubinné kapilární vlny.
V případě gravitačně-kapilárních vln, kde povrchové napětí ovlivňuje vlny, disperzní vztah se stává:[5]
s σ povrchové napětí (v N / m).
Pro rozhraní voda-vzduch (s σ = 0,074 N / m a ρ = 1000 kg / m³) vlny lze aproximovat jako čisté kapilární vlny - v nichž dominují účinky povrchového napětí - pro vlnové délky méně než 0,4 cm (0,2 palce). U vlnových délek nad 7 cm jsou vlny dobré aproximace čisté povrchové gravitační vlny s velmi malými účinky na povrchové napětí.[16]
Mezifázové vlny

Pro dvě homogenní vrstvy tekutin střední tloušťky h pod rozhraním a h ′ nahoře - působením gravitace a ohraničené nad a pod vodorovnými tuhými stěnami - disperzní vztah ω2 = Ω2(k) pro gravitační vlny poskytuje:[17]
kde zase ρ a ρ ′ jsou hustoty pod a nad rozhraním, zatímco coth je hyperbolický kotangens funkce. Pro případ ρ ′ je nula, což snižuje disperzní vztah povrchových gravitačních vln na vodě konečné hloubky h.
Když se hloubka dvou vrstev tekutiny velmi zvětší (h→∞, h ′→ ∞), hyperbolické kotangensy ve výše uvedeném vzorci se blíží hodnotě jednoho. Pak:
Nelineární efekty
Mělká voda
Účinky rozptylu amplitudy se objevují například v osamělá vlna: jediný hrb vody cestující konstantní rychlostí v mělké vodě s vodorovným ložem. Osamělé vlny jsou blízko-solitony, ale ne přesně - po interakci dvou (kolidujících nebo předjíždějících) osamělých vln se trochu změnily amplituda a oscilační reziduum je pozadu.[18] Jediné solitonové řešení Korteweg – de Vriesova rovnice, výšky vlny H v hloubce vody h daleko od hřebene vlny, cestuje rychlostí:
Takže pro tuto nelineární gravitační vlnu určuje rychlost celková hloubka vody pod vrcholem vlny, přičemž vyšší vlny cestují rychleji než nižší vlny. Všimněte si, že řešení solitérních vln existují pouze pro kladné hodnoty Hosamělé gravitační vlny deprese neexistují.
Hluboká voda
Lineární disperzní vztah - neovlivněný amplitudou vln - je pro nelineární vlny také správný ve druhém pořadí teorie poruch expanze s objednávkami z hlediska strmosti vln k a (kde A je vlna amplituda ). Do třetího řádu a pro hlubokou vodu je disperzní vztah[19]
- tak
To znamená, že velké vlny cestují rychleji než malé vlny stejné frekvence. To je patrné pouze při strmosti vln k a je velký.
Vlny na středním proudu: Dopplerův posun
Vodní vlny na středním toku (tedy vlna v pohybujícím se médiu) zažívají a Dopplerův posun. Předpokládejme, že disperzní vztah pro nepohyblivé médium je:
s k vlnové číslo. Pak pro médium s průměrem rychlost vektor PROTI, disperzní vztah s Dopplerovým posunem se stává:[20]
kde k je vektor vlnového čísla související s k tak jako: k = |k|. The Tečkovaný produkt k•PROTI je rovný: k•PROTI = kV cos α, s PROTI délka vektoru střední rychlosti PROTI: PROTI = |PROTI|. A α úhel mezi směrem šíření vln a středním směrem proudění. Pro vlny a proud ve stejném směru, k•PROTI=kV.
Viz také
Další články o disperzi
Disperzní modely vodních vln
- Teorie vzdušných vln
- Benjamin – Bona – Mahonyho rovnice
- Boussinesqova aproximace (vodní vlny)
- Cnoidální vlna
- Camassa – Holmova rovnice
- Davey – Stewartsonova rovnice
- Kadomtsev – Petviashviliho rovnice (také známý jako KP rovnice)
- Korteweg – de Vriesova rovnice (také známý jako KdV rovnice)
- Lukův variační princip
- Nelineární Schrödingerova rovnice
- Rovnice mělké vody
- Teorie Stokesových vln
- Trochoidní vlna
- Vlnová turbulence
- Whithamova rovnice
Poznámky
- ^ A b Pond, S .; Pickard, GL (1978), Úvodní dynamická oceánografie, Pergamon Press, str. 170–174, ISBN 978-0-08-021614-0
- ^ A b C d Viz Lamb (1994), § 229, s. 366–369.
- ^ Viz Whitham (1974), s. 11.
- ^ Tento disperzní vztah je pro nepohybující se homogenní střední, takže v případě vodních vln pro konstantní hloubku vody a žádný střední proud.
- ^ A b C Viz Phillips (1977), str. 37.
- ^ Viz např. Dingemans (1997), str. 43.
- ^ Viz Phillips (1977), str. 25.
- ^ Reynolds, O. (1877), „O rychlosti postupu skupin vln a rychlosti, při které je energie přenášena vlnami“, Příroda, 16 (408): 343–44, Bibcode:1877Natur..16R.341., doi:10.1038 / 016341c0
Lord Rayleigh (J. W. Strutt) (1877), „Na progresivních vlnách“, Proceedings of the London Mathematical Society, 9: 21–26, doi:10.1112 / plms / s1-9.1.21 Přetištěno jako dodatek v: Teorie zvuku 1, MacMillan, 2. přepracované vydání, 1894. - ^ Viz Lamb (1994), § 237, s. 382–384.
- ^ A b C d Viz Dingemans (1997), oddíl 2.1.2, s. 46–50.
- ^ A b C Viz Lamb (1994), § 236, s. 380–382.
- ^ Henderson, K. L .; Peregrine, D. H.; Dold, J. W. (1999), „Nestabilní modulace vodní vlny: plně nelineární řešení a srovnání s nelineární Schrödingerovou rovnicí“, Wave Motion, 29 (4): 341–361, CiteSeerX 10.1.1.499.727, doi:10.1016 / S0165-2125 (98) 00045-6
- ^ Viz Phillips (1977), str. 102.
- ^ Viz Dean a Dalrymple (1991), strana 65.
- ^ Viz Craik (2004).
- ^ Viz Lighthill (1978), s. 224–225.
- ^ Turner, J. S. (1979), Účinky vztlaku v tekutinách, Cambridge University Press, str. 18, ISBN 978-0521297264
- ^ Viz např .: Craig, W .; Guyenne, P .; Hammack, J .; Henderson, D .; Sulem, C. (2006), „Osamělé interakce vodních vln“, Fyzika tekutin, 18 (57106): 057106–057106–25, Bibcode:2006PhFl ... 18e7106C, doi:10.1063/1.2205916
- ^ Viz Lamb (1994), § 250, s. 417–420.
- ^ Viz Phillips (1977), str. 24.
Reference
- Craik, A.D.D. (2004), „Počátky teorie vodních vln“, Roční přehled mechaniky tekutin, 36: 1–28, Bibcode:2004AnRFM..36 ... 1C, doi:10.1146 / annurev.fluid.36.050802.122118
- Dean, R.G .; Dalrymple, R.A. (1991), „Mechanika vodních vln pro inženýry a vědce“, Transakce EosAdvanced Series on Ocean Engineering, 2 (24): 490, Bibcode:1985EOSTr..66..490B, doi:10.1029 / EO066i024p00490-06, ISBN 978-981-02-0420-4, OCLC 22907242
- Dingemans, M.W. (1997), „Šíření vodní vlny přes nerovné dno“, Technická zpráva NASA Sti / Recon NAdvanced Series on Ocean Engineering, 13: 25769, Bibcode:1985STIN ... 8525769K, ISBN 978-981-02-0427-3, OCLC 36126836, 2 díly, 967 stran.
- Lamb, H. (1994), Hydrodynamika (6. vydání), Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-45868-9, OCLC 30070401 6. rozšířené vydání, které původně vyšlo v roce 1879, se objevilo jako první v roce 1932.
- Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. (1987), Mechanika tekutinKurz teoretické fyziky, 6 (2. vyd.), Pergamon Press, ISBN 978-0-08-033932-0
- Lighthill, M.J. (1978), Vlny v tekutinách, Cambridge University Press, 504 stran, ISBN 978-0-521-29233-7, OCLC 2966533
- Phillips, O.M. (1977), Dynamika horního oceánu (2. vyd.), Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-29801-8, OCLC 7319931
- Whitham, G. B. (1974), Lineární a nelineární vlny, Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-94090-6, OCLC 815118
externí odkazy
- Matematické aspekty disperzních vln jsou diskutovány na Disperzní Wiki.