Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса, страница 2

(К 4 ! 1.2) ....... Расчет ударного скачка в газе. (К 9 11.4) Задача о скорости звука (К 9 21) 212 215 215 217 219 221 221 222 223 225 226 229 229 229 232 234 Общее руководство Литература к параграфам К б 6. Законы сопротивления... К э 7. Неустойчивости в гидродинамике К 08. Волны на воде К б 10. Гидродинамика и физико-химические процессы К 011. Ударные волны .

234 234 234 234 234 235 235 Торнадо: его топология, физика и гидродинамика. (К б 20.4) 210 Огл валеное 235 235 236 236 236 236 237 К 9 12. Гиародинамическая кумуляция К 913. Кавитация К 9 14. Моделирование и опыт К 9 15. Эксперимент на дисплее К 9 16. За пределами гндродинамики К 9 17. Сверхтекучая жидкость К 918. Экзотические жидкости К 9 19.

Исследования по УТС и магнитная гндродинамика. Турбулентное геодинамо, Нелинейные явления в плазме .............. К 9 20. О солнечно-земных связях и геофизической гидродинамике . 238 К 9 21. Мир свеРхвысоких плотностей энергии и релятивистская гидродинамика ............ 238 К 922. Крупномасштабная гидродинамика Вселенной ..

239 Литература к Приложению 239 ПРЕдиСЛОВиЕ Одной из черт современного естествознания является исследование нелинейных систем и систем далеких от равновесия. Гидродинамика хорошо приспособлена лля решения подобного рода задач. Действительна, в состоянии равновесия макродвижения невозможны, а сами движения сред есть предмет гидродинамики. И далее, в гидродинамике сильно развиты нелинейные эффекты (нелинейная среда), Соответственно сложны и нелинейны гидродинамические уравнения.

Это затрудняет прямое их исследование и решение. Частична эту нишу заполняет эксперимент (численный на ЗВМ и лабораторный). Замечательный анализ этих вопросов дан в заметкахакад. В.Ч. Захарова в Э7 3 и Р Фейнмана в б7 5. Гндродинамика, вместе с физикой плазмы, могут стать исходной базой для формирования «нелинейного» физического мышления. При этом в рамках гидродинамики нелинейные объекты выступают наглядно и зримо (например, крутые морские волны). Академик Б. Б.

Кааомцев в одном из интервью (1990 г.) по этому поводу заметил: «Исследования плазмы оказались благодатнейшей областью для создания нового физического мышления, хотя практические применения есть уже сейчас. ...Плазма мне напоминает живое существо. Чтобы хоть отдаленно приблизиться к пониманию плазмы, потребовалась новая система знаний — физика нелинейных явлений и физика сложных объектов... Исследования плазмы ведут ученых к пониманию процессов упорядочения структур, самоорганизации вещества, стремления неживого к подобию Во второй половине ХХ столетия появились фундаментальные математические н физические идеи, сформировавшие представление о так называемомдетерминированном хаосе, возникающем в нелинейныхклассических системах, подчиняющихся динамическим законам.

Дело в том, что хорошо известные результаты, связанные с однозначностью и предсказуемоес гью поведения тел и частиц в полях, течений жидкостей и газов, оказались справедливыми лишь для устойчивых режимов движения. Поведение таких динамических нелинейных систем (даже совсем простых) в режиме неустойчивости становится хаотичным и непредсказуемым. Однако хаос в указанных условиях оказывается упорядоченным, и его структура подчиняется определенным правилам.

Все разделы физики, разве что кроме ее квантовых частей, допускают обобщение на нелинейность в «экстремальных» условиях. Представление о детерминированном хаосе становится универсальным в физике. В гидродинамике оно связано с ключевым понятием турбулентности (см. в дальнейшем э 7.6). Какой способ изложения избран в предлагаемой книге? Автор исходил из простейшего уравнения гидродинамики — уравнения Бернулли Предословое и н» его основе рассмотрел довольно широкий круг вопросов.

При этом сам рассматриваемый материал взят из наиболее актуальных областей приложения гидродинамики (например, кумулятивные эффекты, кавитация, движение сжимаемых жидкостей и др.). Качественно дается представление также об уравнении Навье — Стокса и связанных с ним явлениях. В целях математической простоты автор широко пользуется соображениями размерностей и симметрии и оценками результатов лишь по их порядку величины.

Рассмотрение материала в книге ведется в основном с использованием системы единиц СИ, Как пользоваться принятой в книге нумерацией формул и рисунков? В номерах формул (и рисунков) сначала указан номер параграфа, в котором использована эта формула (рисунок), а затем порядковый номер формулы (рисунка). Например, ссылка на формулу (11.3), означает, что нужно обратиться к Э 11, а рис. 6.2 отыщется в 5 б. На кого рассчитана предлагаемая книга? Прежде всего на широкий круг лиц, интересующихся лостижениями и развитием современного естествознания, которым автор уделил много внимания. Так, большинство параграфов изложено лишь на качественном уровне, математика дана в форме начал анализа (в рамках школьной программы), текст хорошо иллюстрирован, приведена библиография обзорных работ ведущих специалистов в своих областях (опубликованных в популярных изданиях).

Идейный багаж современной гидродинамики значительно пополнился и усложнился, а сфера ее применения (в Форме различных обобщений: магнитная гидродинамика, геофизическая гидродинамика и др.) необычайно расширилась. В связи с этим книга может оказаться полезной Физикам, пщродинамикам, астрофизикам, геофизикам. Студенты и преподаватели соответствующих специальностей могут найти в книге немало материала для использования в учебном процессе. Б. Иванов Введение «Кого не пленяет течение жидкости, кто не любуется течением воды! Все мы в детстве любили плескаться в ванне или возиться в грязных лужах. Став постарше, мы восхищались плавным течением реки, водопадами и водоворотами; мы любуемся ими, рядом с твердыми телами они кажутся нам почти одушевленными...

Попытки ребенка преградить путь маленькому ручейку, текущему по улице, и его удивление перед тем, как вода умудряется все же пробить себе дороту, напоминает наши многолетние попытки понять механизм течения жидкости». Эти слова принадлежат не лирику, а физику такого масштаба, как Ричард Фейнман. С его превосходной книгой «Характер физических законов», изданной в серии «Библиотечка "Квант'*», читатель может ознакомиться с большой пользой для себя.

Однако вернемся к жидкостям. В начальной школе нам говорили, что жидкости — это тела, которые не имеют своей собственной формы. В старших классах это положение формулировалось глубже: в жидкостях отсутствуют деформация сдвига. Малейшее напряжение сдвига приводит к течению жидкости. Посмотрим теперь на жидкости как на тела, состоящие нз огромного количества атомов или молекул. С такой микроскопической точки зрения можно сказать, что жидкости — это тела, в которых взаимодействие между частицами велико, и в то же время тепловое движение самих частиц является сложным. Зто обстоятельство делает теоретическое изучение статистических свойств жидкостей весьма затруднительным. Характер взаимодействия частиц жидкости, различный для разных жидкостей, сильно сказывается, например, на температурной зависимости термодинамических величин.

Зго означает, что тепловые свойства конкретных жидкостей сушественно индивидуальны. Лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, возможно исследование тепловых свойств жидкостей в обшем виде. Однако в природе имеется только одно вешество — гелий, который остается жидким при Т вЂ” 0 К. Эта жидкость является квантовой. С точки зрения физики, к жидкостям относят не только обычные— атомные и молекулярные — жидкости, но также квантовую электронную жидкость в металлах, электронно-дырочную жидкость в полупроводниках 1где, в частности, могут существовать так называемые экситонные капли), нуклонную жидкость тяжелых атомных ядер и нейтронных звезд и др.

(см, в дальнейшем Я 17.4, 18.1-18.3). В данной книге указанный взгляд на жидкость — как бы изнутри, с микроскопической точки зрения — нас будет интересовать по мере необходимости. Так, в жидкостях, состояших из сложных цепочечных Введеиве молекул, под влиянием внутренних взаимодействий могут изменяться геометрическая форма и пространственная ориентация самих молекул. Подобные изменения могут быть вызваны и течением среды в целом. В результате удается понять характер динамики сложных сред, например, особенности в свойствах движения полимерных жидкостей (см.

5 18.4). Существенно влияние гидродинамических течений на ход таких физико-химических процессов как горение, детонация и взрыв химических смесей; создание активной лазерной среды в газовых потоках; механизмы электризации грозовых облаков; процессы перемешивания жидкообразных сред, и, в частности, динамика перемешивания земной магмы. Этим вопросам мы также уделим внимание (см. 8 10). Изучение движений жидкости как целого, так сказать с высоты птичьего полета, — вот наш главный предмет изложения. Человек всюду встречается с водой: это лесные ручьи, озера, реки, моря, океаны. Вода и понятие «жидкость» для человека стали синонимами.

Так появилось название науки о течениях жидкости — гидродинамика. «Гндрос» в переводе с греческого «вода». Наряду с гилродинамикой существует и аэродинамика, наука о свойствах течений воздушных масс («взрос» с греческого переводится как «воздух»). Замечательно, однако, то, что в движениях воды и атмосферного воздуха много общего. Законы аэродинамики и гидродинамики неотличимы. Разумеется, эти законы относятся не только к воде и воздуху, а ко всем жидкостям и газам. В движениях жидкостей и газов есть и различия, например, в жидкостях — учет кавитационных явлений, в газах — учет сжимаемости и возможность сверхзвуковых течений.