|
Оглавление
Введение
Эта книга посвящена анализу волновых движений деформируемых твердых, жидких и газообразных тел. Волновые движения бесконечно разнообразны по своему внешнему виду (геометрии), характеру движения, воздействия на среду, в которой они существуют, по энергетическим и многим другим параметрам. В книге будут рассмотрены лишь некоторые виды волн, важные с научной и практической точки зрения. Объектом нашего рассмотрения будут сравнительно медленные низкочастотные бегущие макроволны на деформируемых твердых, жидких и газообразных телах. К ним можно отнести известные всем волны на поверхности жидкости, движущиеся волнообразные участки деформации на продолговатых гибких телах, например волны, бегущие вдоль тела ползущей садовой гусеницы, дождевого червя, сухопутной змеи, перистальтические волны, выполняющие роль двигательного механизма в пищеварительной системе животных и человека, волны на деформируемых звеньях волновых механизмов и машин и, наконец, приливные волны глобального масштаба, возникшие и движущиеся в телах Земли и планет под действием гравитационных сил взаимного притяжения планет и их вращения. Будет показано, что многие механические свойства этих столь разных по физической природе волн весьма сходны и при решении ряда задач их можно рассматривать с единых теоретических позиций. Это позволит получить новые важные научные и практические результаты в различных областях знаний. Рассматриваемые нами волновые движения, учитывая их макромасштабность, сравнительную медленность (квазистатичность) и кинематический способ их задания (когда задаются геометрическая форма волны и скорость ее движения), вернее было бы назвать не волнами, а волнообразными движениями деформируемых тел и жидкостей. Однако, учитывая традиционную терминологию, будем также использовать термины "волна" и "бегущая волна деформации". В деформируемых твердых, жидких и газообразных телах могут, как известно, существовать и волны иного рода – высокочастотные микроволны: звуковые, ультразвуковые, ударные и др. Эти "быстрые микроволны" в отличие от упомянутых выше медленных квазистатических макроволн связаны со сжимаемостью (изменением объемной плотности) среды. В данной работе микроволны рассматривать не будем. Макроволны, возникшие в твердых, жидких и газообразных телах, также весьма разнообразны по своей геометрической структуре, масштабности, воздействию на среду и другим факторам. Они могут быть периодическими, непериодическими, одиночными, групповыми, симметричными, асимметричными, свободными, вынужденными, стационарными, нестационарными и т.д. Нас будут интересовать прежде всего одиночные (разрозненные) волны как движущиеся возмущенные участки в некоторой однородной (невозмущенной) среде. Именно таким волнам, называемым иногда солитонами, присущ ряд замечательных свойств, которые отличаются от свойств периодических симметричных, например синусоидальных, волн. Главное свойство одиночных и асимметричных волн – способность переносить массу среды, в которой они распространяются. Это свойство одиночных волн используется в живой и неживой природе, в последнее время его стали интенсивно использовать в технике. Мы покажем, что способы движения (локомоции) некоторых живых существ (гусеницы, дождевого червя, сухопутной змеи и др.)? движения звеньев волновых механизмов и машин, некоторые глобальные процессы во всех сферах Земли и планет основаны на использовании свойств бегущей волны переносить массу. Механизм переноса массы волной чрезвычайно сложен как вид механического движения деформируемого тела, а сама волна как объект механики обладает многими парадоксальными свойствами. Действительно, бегущую волну на поверхности жидкости мы можем легко наблюдать невооруженным глазом, можем легко измерить пройденный волной путь, найти скорость ее движения, зарисовать или сфотографировать ее форму. Однако это лишь внешние "видимые" (измеряемые) свойства бегущей волны. Наблюдая бегущую волну, мы часто ничего не можем сказать о том, как движутся частицы жидкости во время ее движения, в каком направлении они сместились относительно водоема, перенесла ли волна какое-то количество массы вдоль пути своего движения, и если перенесла, то сколько, в каком направлении и на какое расстояние. Интуитивно ясно, что ни одна частица воды не переместилась вместе с волной на пройденное волной расстояние. Подобные вопросы возникают и при наблюдении волнообразных движений протяженных гибких тел, нитей, газовых сред, волн на эластичных стенках перистальтического трубопровода и др. С некоторыми приведенными в книге выводами о свойствах волн читатель, по-видимому, не сразу согласится. Это относится, прежде всего, к описываемым в гл.6 гипотезам о действии глобальных волн в оболочках Земли и планет, которые вызывают движение литосферных плит и континентов, движут "машину землетрясений", приводят в движение океанские воды и атмосферу. Но и выводы о более простых излагаемых в этой книге волновых процессах в силу упомянутой парадоксальности волновых явлений могут сразу показаться не очевидными. Главная трудность изучения волновых движений заключается в анализе движения частиц волны, т.е. движения множеств частиц (материальных точек), составляющих среду, в которой движутся рассматриваемые волны. Наблюдения показывают, что даже в случае простых по форме и легко наблюдаемых волн деформации, например на гибкой нити или на поверхности жидкости, частицы деформируемого тела (частицы нити или жидкости) совершают весьма сложные движения по траекториям, которые трудно наблюдать или вычислить. Математические закономерности "коллективного поведения" частиц среды во многих случаях волнового движения жидкостей и газов не выяснены до сих пор или описываются приближенными, но чрезвычайно сложными математическими соотношениями. Одной из закономерностей коллективного поведения частиц тела при его волновом движении является так называемое эстафетное (заместительное) движение (см. гл.1 и 2). Мы покажем, что эстафетное движение является одним из распространенных видов движения частиц материи как в макро-, так и микромире и основой волнового движения деформируемых твердых, жидких и газообразных тел. Большое внимание будет уделено описанию физической картины эстафетного движения. Мы поясним его сущность при помощи примеров, аналогий, схем демонстрационных приборов и макетов, аналитических выражений и теоретических рассуждений. Метод изложения материала этой книги можно назвать скорее инженерно-физическим, чем физико-математическим. В гл.3–5 описываются закономерности движения и массопереноса физически разнородных бегущих волн – на гибкой нити, перистальтических, на поверхности жидкости, в газовой среде. Показано, что закономерности движения и массопереноса этих разнородных волн можно описать с единых теоретических позиций при помощи простой универсальной модели – волны линейной плотности. Полученные результаты анализа бегущих волн в твердых, жидких и газообразных телах можно использовать в различных областях науки и техники – в машиноведении, теории механизмов и машин, биомеханике, геофизике. В гл.1–5 приведены примеры приложения законов бегущей волны к задачам машиноведения и биомеханики. Отсылая читателя, интересующегося более широкими приложениями волновых закономерностей в областях теории механизмов машин и биомеханики, к приведенным в тексте литературным источникам, мы далее (гл.6) рассмотрим с позиций изложенных закономерностей волнового переноса массы некоторые важные глобальные геофизические явления и процессы. Покажем, что использование этих закономерностей позволяет по-новому объяснить многие из этих явлений и процессов, а также выдвинуть новые научные гипотезы о волновом механизме супервращения атмосферы Земли и планет, западном переносе океанских вод Мирового океана приливными волнами и генерации крупномасштабных океанских течений, о движущих силах глобальной тектоники и "машины землетрясений", существовании волнового перистальтического движения расплавов внутри Земли и планет, порождающих магнитные поля глобальных масштабов. В гл.6 мы покажем, что приливные волны, обегающие ежесуточно нашу Землю, в силу своей "транспортирующей способности" приводят в движение все без исключения земные среды, обеспечивая жизненно важные процессы на Земле. "Волновой анализ" действия приливных гравитационных сил, воздействующих на Землю со стороны Луны и Солнца, позволяет рассматривать приливные явления на Земле как своего рода "живую силу", обеспечивающую "сердцебиение, дыхание и кровообращение" Земли, делает правомерным использование таких часто используемых эпитетов, как "живая планета", "беспокойная Земля" и др. Эти же силы и процессы приводят к периодическим земным катастрофам – землетрясениям, приносящим неисчислимые беды человеку и всему живому на Земле. Все сказанное говорит о научной и практической важности изучения механизмов действия глобальных приливных волн и генерируемых ими процессов. Для обоснования описанных в последней главе гипотез геофизического характера в книге приведены известные факты из области наук о Земле и планетах Солнечной системы – тектонике, сейсмологии, океанологии, земного магнетизма. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||