Дж. Лайтхилл - Волны в жидкостях, страница 2

Во-вторых, тематика этой книги весьма актуальна. Действительно, волны в жидкостях научаются не только в классической акустике и гидромеханнке, но и в океанографии, метеорологии, астрофиаике,магнитной гидродинамике, теории корабля, гидравлике, физиологии кровообращения. Теория волн в жидкостях охватывает самые разнообразные физические явления, такие как приливно-отливные движения, цунами, ветровые и корабельные волны, гидравлические прыжки, ударные и взрывные волны, авуковые удары от летящего самолета, волны в ионосфере, волны в волноводах и т. д.

Зта книга написана автором как обстоятельное введение в теорию волн в жидкостях. Здесь в четырех главах детально обсуждаются четыре основных вида волн — звуковые волны, одномерные волны в жидкостях, волны на воде и внутренние волны в стратифнцированной среде. Другие, более специальные виды анвзотропных и диспергирующих волновых систем (например, волны во вращающейся жидкости или волны в электро- проводящей среде) рассматриваются более кратко в эпилоге.

Отбор материала и компоаиция книги обосновываются в прологе. С методологической стороны монография отличается единообразием, тщательностью и ясностью изложения, продуманностью и глубиной анализа, выявлением взаимосвязи различных вопросов. Наряду с фундаментальными идеями и классическими результатами теории волн в жидкостях здесь освещены (хотя и в более сжатой форме) современные подходы и новые достижения в этой области, полученные, в частности, и самим Лайтхиллом.

Автор не просто излагает теоретические результаты, но физически интерпретирует их и приводит разнообрааные приложения, например, .из радиотехники, аародинамики, кораблестроения, гидротехники, биологии. В целом ряде случаев указываются количественные оценки и представляются экспериментальные данные. Обращает на себя внимание модели- Предисловие редакторов перевода рование генерирования и распространения звука с помощью волновой кюветы, проведенное при участии автора.

Материал в книге преподносится в доступной форме и для его понимания требуется знание только основ математики, общей механики и гидромеханики. В конце каждой главы приводятся упражнения и задачи. Все это позволяет испольаовать книгу как учебное пособие.

Монография снабжена обширным указателем общей и специальной литературы по затрагиваемой тематике, содержащим свыше 230 ссылок и снабженным краткими библиографическими комментариями по каждой цитируемой работе. К со>калеки>о, ссылки даны фактически лишь на англоязычные издания (так, труды советских авторов цитируются всего пять раз, причем в переводах), что, очевидно, было сделано в интересах английского читателя.

Восполнить этот пробел и дополнительно привести список трудов советских ученых, опубликовавших большое количество интересных и важных работ по теории волн в жидкостях, нам представляется затруднительным,так как это, вероятно, удвоило бы объем библиографии. Поэтому мы упомянем в данной связи лишь несколько монографий широкого плана: Сретенский Л. Н.

Теория'волновых движений жидкости,— 2-е изд.— М.— Л.: Наука, 1976; Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика.— 6-е изд.: В двух частях.— М.: Физматгиз, 1963; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. Ы. Механика сплошных сред.— 2-е изд.— М.: ГИТТЛ, 1954; Физика океана. Под ред. В. М. Каменковича и А. С. Монина. Том 1. Гидрофизика океана. Том. 2. Гидродинамика океана. — М.: Наука, 1978. В подготовке русского издания книги участвовал целый коллектив, в котором работа была распределена следующим образом: А. И.

Державина перевела пролог и гл. 1, Е. Д. Терентьев — гл. 2, 10. И. Ромашкевич — гл. 3 и эпилог, 3. Н. Добровольская — гл. 4, П. И. Чушкин редактировал пролог, гл. 1, 2 и библиографические комментарии, П. П. Корявов — гл. 3, 4 и эпилог. Мы уверены, что данная монография будет с интересом встречена широким кругом читателей — научных сотрудников, инженеров, аспирантов и студентов старших курсов, сталкивающихся с применением теории золя в жидкостях в различных областях науки и техники.

П.П. Корявов П.ХХ. Чушкин Предисловие Цели настоящей книги подробно описаны в прологе. Основной материал изложен в главах 1 — 4, а в эпилоге содержатся краткие очерки некоторых дополнительных тем. Хотя в тексте по ходу изложения не даются ссылки на литературу, для удобства ориентирования в основном материале в конце книги приведены библиографические комментарии, поаволяющие читателю найти более подробные сведения по каждой из упомянутых тем, Далее приведен список обозначений, поясняющий смысл основных используемых символов. Номера страниц книги, на которых приведены библиографические комментарии, выделены жирным шрифтом; этот шрифт используется далее для ссылок в именном и предметном указателях. В пределах каждой главы математические формулы снабжены порядковыми номерами в круглых скобках. В каждой новой главе нумерация начинается заново. При ссылках на формулы в тексте имеются в виду формулы той же главы.

Напротив, для рисунков используется сквозная нумерация (от 1 до 117) по всей книге. В конце каждой главы приведены упражнения, рекомендуемые читателю. Кемаря:ок, $978 Джейнс Лайттилл Пролог Настоящая книга построена как обстоятельное введение в теорию волн в жкдких средах (т. е. в жидкостях и газах); эта область исследований составляет существенную часть динамики жидкости, а также значительную часть общей теории волн и кроме того находит важные приложения в изучении окружающей среды и в технике. Указанная область механики необычайно широка. Различные типы волн в жидкостях, фундаментальные идеи, выдвигаемые для объяснения свойств волн, и разнообразные приложения этих свойств столь многочисленны, что создание введения в эту область в рамках одного тома потребовало тщательного отбора материала.

Структура книги (четыре главы и эпилог) преследовала две основные цели. Во-первых, как видно из наэваний глав, такая структура позволяет в основных главах глубоко проанализировать четыре важнейших и характерных типа волн в жидкости (эвуковые волны, одномерные волны в жидкости, волны на воде, внутренние волны), а затеи в эпилоге дать краткое описание некоторых других важных типов волн.

В то же время материал четырех глав подбирался из тех соображений, чтобы изложить по возможности последовательно большинство обычно используемых фундаментальных идей теории волн в жидкостях. Исключение составляют некоторые новые и весьма сложные идеи, которые даже в таком обстоятельном введении нельзя представить с должной полнотой; они только намечены в эпилоге со ссылками на соответствующие работы, где можно найти их более подробное изложение. Структура каждой главы подчинена доул целям: проанализировать основной тип системы волн, указанной в ее названии, а также развить главное ядро фундаментальных идей в приложении к волнам в жидкости.

Идеи, развитые в как<дай главе, особенно важны для системы волн, рассматриваемой в данной главе, но они применимы н к теории волн вообще и, в частности, к другим системам волн в жидкости. Поэтому в последующих главах описываются некоторые приложения излагаемых в них идей к системам волн, рассмотренным в предыдущих главах. Так, например, методы, развитые в гл. 2, используются для аналиаа образования и распространения сверхзвукового удара, а методы тл.

4 используются для аналиэа волнового сопротивления кораблей. Прела« Постоянно указываются практические приложения: к проблеме уменьшения шума в гл. 1 и 2; к столь далеко отстоящим областям, как гидравлика и физиология кровообращения в гл. 2, к океанографии и использованию океана в гл. 3 и 4 и к различным аспектам исследования атмосферы в гл. 4. Некоторые еще более раанообразные приложения укаааны в эпилоге. В рамках волновой теории в целом волны в жидкости характеризуются их способностью взаимодействовать со сложными полями течений. Поэтому такие взаимодействия подробно ош|- сываются в данной книге (см., в частности, равд.

1.10, 2.14, 3.9, 3.10, 4.6, 4.7 и 4.12). Из вопросов, рассмотренных в начале гл. 1, особую важность представляют такие вопросы, как свойство линейности (допущение прямого линейного наложения различных волновых движений); понятие переноса энергии волнами; различный характер распространения волн в одномерном, двумерном и трехмерном случаях. Далее разрабатываются два совершенно различных круга идей, дополненных их приложениями икасающихся (1) источников, размеры области распределения которых малы по сравнению с длиной генерируемых волн («компактные источники») и (В) жидких систем, размеры которых велики по сравнению с длиной волны; оба круга идей применяются к проблемам источников шума.

В следующих главах все эти идеи развиваются дальше; см., в частности, равд. 4.9 в связи с компактными источниками и равд. 4.5, где излагается общий метод прослеживания лучей в прилоя«енин к системам, свойства которых постепенно меняются в масштабе длины волны. Кроме того, в равд. 1.11 и 1,12 рассмотрен промежуточный режим. И наконец, в гл. 1, как и в остальных главах книги, описываются процессы, связанные с еатуханиел«волн: процессы, включающие диссипацию внутри жидкой среды (равд.

1.13), диссипацию около твердой границы (равд. 2.7) или около свободной границы (равд. 3.5), или же генерирование стационарных потоков затуханием волн (равд. 4.7). В гл. 2 более подробно обсуждаются вопросы одномерного распространения возмущений и показывается, что возможен единый подход к широкому классу на первый взгляд совсем различных систем; сюда включаются распространение звука в трубах, пульсация крови в артериях и длинные волны в открытых каналах. К основным вопросам, рассмотренным в первой половине гл. 2, относятся следующие: (1) рааличное влияние разрывных или постеленных изменений свойств трубопровода или канала на распространение волн, (й) приложение развитой теории к распространению волн в разветвляющих системах и (ш) изучение различных возможных реаонансов. Пролог Вторая половина гл. 2 посвящена широкому исследованию нелинейных аффектов, в частности тех эффектов, которые приводят к резкому увеличению локальной крутианы волнового профиля.

Подробно описаны ударные волны и другие существенно разрывные волны, включая соотношение между степенью крутизны волнового профиля и диссипативными эффектами; в общих чертах описываются методы прослеживания за развитием сложных сигналов, включающих ударные волны. В заключение одномерная нелинейная теория применяется к случаю распространения сигналов вдоль тех самых абстрактных «трубок лучей», свойства которых впервые были рассмотрены в гл. 1.

Изучение волн на воде, начало которому было положеяо в гл. 2 при рассмотрении «длинных» волн (волны, длина которых значительно больше глубины воды) и связанных с ними разрывов («гидравлические прыжки»), продолжено далее з гл. 3. Помимо динамики поверхностных волн с учетом силы тяжести или поверхностного натяжения в качестве возвращающей силы в гл. 3 также рассматриваются особые свойства «диспергирующих» волн. Для днспергнрующнх систем общего вида, которые являются изотропными (в том смысле, что свойства распространения возмущений не зависят от направления, хотя и изменяются с длиной волны), устанавливается фундаментальное различие между фазовой скоростью и групповой скоростью.