Реферат на тему механізм утворення хвиль на поверхні води

Обновлено: 12.05.2024

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине того участка контура, на который она действует. Коэффициент пропорциональности γ — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников (Журнал физической химии. 1983, № 10, с. 2528—2530), что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии

В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).

Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Рис. 2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H₂ O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 3.5.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 3.5.2 дает представление о структуре молекулы воды.

Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·10 7 раз.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V₀ пропорционально изменению температуры ΔT:

Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С β_в ≈ 2·10 –4 К –1 , у стали β_ст ≈ 3,6·10 –5 К –1 , у кварцевого стекла β_кв ≈ 9·10 –6 К –1 .

Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (β 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔA_внеш , пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м 2 ) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м 2 ).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией . Потенциальная энергия E_p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3).

Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу Если под действием силы перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔA_внеш = F_внеш Δx = ΔE_p = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:

Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR 2 сечения (рис. 4). Условие равновесия записывается в виде

Отсюда избыточное давление внутри капли равно

Сечение сферической капли жидкости.

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 5). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах . Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

На рис. 3.5.6 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F_н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F_т = F_н , где F_т = mg = ρhπr 2 g, F_н = σ2πr cos θ.

Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Вол ны на воде Кто из нас , сидя у воды и бросая в нее камешки , не любовался картиной разбегаю щихся волн ! Но мало кто задумывался , почем у высота волн быстро убывает с расстоянием r от места падения ка мня . Можно назвать сразу две гла вные причины , ведущие к такому ослаблению волн . Первая связана с расходимостью круговых волн : сохранение потока энергии ведет к падению амплитуды (высоты ) волны по закон у H~r-1/2. Другой эффект менее тривиален : скорость вол н на воде зависит от их длины (у более длинных волн и скорость больше ); в результате , как нам кажется , с расстоянием волны становятся более длинными . И хотя каждый , кто бросал камень в воду , наблюдал этот эффект , в школьных у чебниках его традиционно описыв а ют на примере разложения обычного света , проходя щего через призму , на его цветовые составл яющие (спектр ). И в том и в другом случае мы имеем дело с дисперсией волны , когда начальное возмущение , образуемое в месте бросания кам ня , "растаскивается " на спектр альные компоне нты . Каждая из волн бежит со своей ско ростью , и вперед выходят более длинные . Эт от эффект может быть пояснен на примере излюбленной школьной задачи , когда путешественн ики А и Б выходят из одного пункта с разными скоростями в одном направлени и и расстояние между ними возраст ает линейно со временем . Переходя теперь к большому числу таких путешественников , скоро сти которых различны , легко понять , что "пл отность " путешественников (число людей на 1 м ) падает с расстоянием от исходного пункта . Анал о гичные оценки для волн , исх одя из закона сохранения энергии , также пр иводят к зависимости H~r -1/2. Совместное воздействие этих двух причин ведет к суммарному ос лаблению высоты волны (вследствие дисперсии и расходимости ) по закону H~r-1. Благодаря быстром у ослаблению высоты волны происходит локализация возмущений на воде (иначе бы штормовые волны , зародившись в одном мест е , оставались опасными для всего океана ). Одна ко это упрощенная картина , в которую не вошло достаточно много исключений . Например , гигант ские морские волны , зародившиеся при землетрясении в Чили 22 мая 1960 г . (такие волны называют цунами ), пересекли весь Тихий океан (примерно 17 тыс . км ) и накатились на побережье Дальнего Востока , где высота их достигала 7 м . Об эффектах , которые приводят к ан омально долгому существованию волн на воде (и в воде ), и будет расск азано в этом реферате . Нел инейность и солитоны Каки е же факторы способны воспрепятствовать быстр ому ослаблению волнового поля ? Во-первых , огран ичение распространения волны только од ной пространственной координатой , чтобы ликвидироват ь ее расходимость в виде круговых волн . Простейший пример - распространение волны в реке . В открытом океане естественными каналам и (волноводами ) служат подводные хребты и течения струйного типа (например, Гольфстрим ). Роль таких волноводов была понята давно . Однако они не могут препятствовать эффек там дисперсии , и , следовательно , волна все равно ослабляется (хотя и не так быстро ) и ее длина возрастает . Друг им фактором , о котором здесь нужно сказать , являе тся нелинейность . Под этим понят ием мы будем подразумевать зависимость скорос ти распространения волны от ее амплитуды . Во всех линейных моделях скорость распростран ения определяется характеристиками среды (наприме р , для волн на воде максимальная скорость и х распространения , г лубиной водоёма ). Между тем глубина водоема под различными частями в олны различна : она увеличивается под гребнем и уменьшается под впадиной . Вооб ще говоря , скорость распространения волны зависит от локальной глубины . Но это означает , ч то греб ень волны должен двигаться быстрее ее впа дины и , следовательно , профиль волны будет искажаться : его передний фронт будет становит ься все более крутым и в конце концов волна должна опрокинуться (каждый , кто ку пался в море , знает , как обрушиваются во л ны вблизи берега ). Тепе рь уже можно понять совместное влияние не линейности и дисперсии на трансформацию волн . Рассмотрим , например , эволюцию гребня . Нелиней ность в чистом виде , как мы уже описал и , хочет , так сказать , привести к тому , чтобы передний фронт становился круче , и гребень стремится догнать подножие . Дисперси я же в чистом виде стремится растащить волну на ее спектральные компоненты , чтобы более короткие волны отставали от тех , которые длиннее . Следовательно , нелинейность , сп особствующая образован и ю более крутого фронта волны (с высокочастотными гармониками ), и дисперсия , стремящаяся утащить короткие волны с крутого фронта , действуют в про тивоположных направлениях . Но тогда возможна их взаимная компенсация , и форма волны в процессе распространения б удет неизм еняющейся (стационарной ). В олна представляет собой движущийс я одиночный гребень , скорость и длина кото рого зависят от высоты волны . Н . Забуски и М . Крускал в 1965 г . назвали его солит оном (от англ . solitary wave - уединенная волна ). Главная особ енность солитонов заключается в неи зменности их формы в процессе распространения , и , следовательно , такие волны могут распр остраняться на очень большие расстояния без потери своей энергии . Роль представлений о солитонах резко возросла , когда стало яс но , ч т о если начальное возмущение имеет другую форму , то оно сбрасывает в се лишнее в хвост и трансформируется в солитоны , число которых определяется законами сохранения (массы , энергии ). Кроме того , сол итоны сохраняют свою форму при взаимодействии с себе подобн ы ми. Выше мы рассказали о солитонах на воде . Но в океане волны бегают не толь ко на его поверхности . Океан не является однородным по вертикали , его температура и соленость зависят от глубины , а значит , и плотность морской воды не остается постоянной . Отсюда следует , что океан м ожно представить как совокупность многих пове рхностей , разделяющих слои с разными плотност ями . Каждая такая поверхность в принципе п охожа на водную поверхность , где также про исходит скачок плотности (от воды к воздух у ), и , следовательн о , по этим поверх ностям могут также распространяться волны , по лучившие название внутренних . Поскольку скачок плотности внутри океана мал (по сравнению с морской поверхностью ), то мала и архим едова сила , двигающая частицы воды в волне . В результате амплитуд ы волн могу т достигать очень больших значений , отмечалис ь волны в 100 м . Во внутренних волнах так же должны быть солитоны , и мы активно занимаемся их исследованием и прогнозом . Воз буждение солитонов бегущими внешними волнами Важн ым фактором поддержания э нергии волн с лужат внешние воздействия . Простейший пример - появление волн на воде , как только подует ветер . Картинка стационарных волн за кора блем в его следе также общеизвестна . Прини мая во внимание постоянство скорости корабля , естественно было изучать сразу ста ционарную картину волн . К сожалению , это п риводило к сложным численным расчетам и н ичего не говорило об устойчивости получаемых картинок . Между тем солитон на воде б ыл открыт Д . Рассел ом в 1834 году . Он занимался исследованием перемещ ения по канал у баржи , которую тянула пара лошадей . Неожиданно баржа остановилась , но масса воды , которую баржа привела в движение , не остановилась , а собралась у носа судна , а затем оторвалась от нег о . Далее эта масса воды покатилась по каналу с большой скоростью в ви д е уединенного возвышения , не меняя сво ей формы и не снижая скорости . На протяжении всей жизни Рассел неодно кратно возвращался к наблюдению за этой в олной , поскольку верил , что открытая им уе диненная волна играет важную роль во мног их явлениях в природе . О н установил некоторые свойства этой волны . Во-первых , за метил , что она движется с постоянной скоро стью и без изменения формы . Во-вторых , наше л зависимость скорости этой волны от глуб ины канала и высоты волны . В-третьих , Рассел обнаружил , что возможен рас пад одной большой волны на несколько волн . В-четвертых , он отметил , что в экспериментах наблюдаются только в олны возвышения . Однажды он также обратил внимание , что открытые им уединенные волны проходят друг через друга без каких-либо изменений , как и мал ы е волны , образованные на поверхности воды . Однако на последнее очень важное свойство он не обратил существенного внимания . Работа Рассела , опубликованная в 1844 году как "Доклад о волнах ", вызвала осторожную реакцию в среде ученых . На континенте е е не зам етили совсем , а в самой Англии на нее обратили внимание Г.Р . Эйр и и Дж.Г . Стоке . Эйри подверг критике р езультаты экспериментов , которые наблюдал Рассел . Он отмечал , что из теории длинных вол н на мелкой воде выводы Рассела не по лучаются , и утверждал , что д л инные волны не могут сохранять неизменную форму . И в конечном итоге подверг сомнению правильность наблюдений Рассела . Один из осно вателей современной гидродинамики , Джордж Габриэл ь Стоке , также не согласился с результатам и наблюдений , полученными Расселом, и кри тически отнесся к факту существования уединен ной волны . После столь негативного отношения к от крытию уединенной волны долгое время о не й просто не вспоминали . Определенную ясность в наблюдения Рассела внесли Дж . Буссинеск (1872 год ) и Дж.У . Рэлей (1 876 год ), которые независимо друг от друга нашли аналитиче скую формулу для возвышения свободной поверхн ости на воде в виде квадрата гиперболичес кого секанса и вычислили скорость распростран ения уединенной волны на воде . Позже опыты Рассела были повторены другими исследователями и получили подтве рждение . Австралийскому физику Р . Гр имшоу и мне показалось интересным рассмотреть взаимодействие свободного солитона с внешним бегущим возмущением (баржей ) во времени . П ри этом мы рассчитывали убить двух зайцев : во -первых , корабельные волны должны бы ли получаться как некоторые стационарные сост ояния в математической модели и , во - вторы х , проблема устойчивости волнового следа реша лась бы автоматически в рамках более обще й нестационарной теории . Сделанные оценки был и перспективными , и мы активно пораб отали вместе над этой задачей , придумав уп рощенную модель явления и получив ряд при ближенных решений . Именно этой проблемой я и мои коллеги занялись в рамках еще первых поддержек от Фонда Сороса и про должили в рамках гран т а от Межд ународного научного фонда . Главная наша идея состоит в учете солитонного характера нелинейной волны . В это м случае волна описывается всего двумя па раметрами : амплитудой (или скоростью ) и координ атой (местоположением ), так что солитон , по существу , очень похож на классическую дви жущуюся частицу . Уравнение для такой частицы хорошо известно еще со средней школы и представляет собой второй закон Ньютона : ускорение частицы , умноженное на ее масс у , равно внешней силе , действующей на част ицу . В таких за д ачах , как извест но , очень удобно описывать внешние воздействи я в рамках потенциальных полей , и наглядны м примером здесь служит движение шарика п о криволинейной поверхности : частица колеблется в потенциальной яме . Остается понять , что происходит в на шем с лучае . Движущийся корабль выдавливает из-под себя воду - так образуется потенциа льная яма , в которую "сваливается " солитон . Если солитон имеет ту же скорость , что и корабль , и находится непосредственно в яме , то он является стационарным и пред ставляет соб о й нелинейную корабельную волну . Но это возможно только для сол итона одной-единственной амплитуды . Если скорость солитона больше скорости корабля , то возм ожны два режима . При очень большой разнице в скоростях солитон обгонит корабль , прак тически не испытав взаимодействия . Когда же скорости близки , солитон сначала ускор яется , сваливаясь в яму , а затем опять тормозится , пытаясь выбраться из нее . Теперь понятно , почему солитон , который движется почти синхронно с кораблем (резона нсный солитон ), колеблется около него . Есл и же солитон имеет малую амплитуду и находится впереди корабля , то он может уси литься , пока его догоняет корабль , а потом затухнуть , когда корабль его обгонит . В результате возможно появление солитонов , живущи х короткое время . Существование тако г о нестационарного волнового следа , меняюще го сопротивление движению корабля , требует до полнительной его мощности , и переменная нагру зка на двигатель возрастает . Трудности управл ения кораблем в условиях резонансного возбужд ения известны . Развитая теория да е т одно из возможных объяснений этого эффек та . Мы всюду говорили о корабельных волнах , испо льзуя для простоты изложения их наглядность . В результате наша задача стала казаться уж очень технической . В океанологии роль движущегося корабля играют перемещающие с я области давления , в частности , при шторм ах и ураганах . Такие крупномасштабные атмосфе рные воздействия приводят к возникновению бол ьших волн в океане . На метеорологических к артах , которые показывают по телевидению , можн о увидеть области как высокого , та к и низкого давления . Увеличение давления вызывает понижение уровня океана , а его уменьшение ведет к повышению уровня (эта связь получила название закона обратного барометра ). Первый случай похож на движущийся кора бль и может приводить к захвату солитона в поле давления . Уменьшение давления над водой , сопровождающееся повышением уровня океана , приводит к новым эффектам . Так , если солитон , имея скорость , близкую к с корости перемещающего давления , пытается догнать эту область , то ему не хватает энерги и , чтоб ы влезть на потенциальную г орку , и , потеряв энергию (а следовательно , и скорость ), солитон будет отставать от обл асти возмущения . В системе координат , связанно й с внешним возмущением , солитон отражается от него . Формально и здесь , конечно , суще ствует стаци о нарное решение , когда солитон сидит на вершине горы и распростр аняется вместе с ней , однако ясно , что такое решение является неустойчивым , и при малейшем смещении солитон скатится с верши ны горы . Друг им важным приложением развитой теории служат волны в по токах воды над неровным дном (например , над подводной банкой ). Очев идно , что в системе координат , связанной с потоком , такая банка движется и играет роль корабля , так что здесь возможны вс е те эффекты , которые описаны выше . Однако смысл таких решений здес ь сущест венно другой : солитоны стоят в потоке над изолированной неровностью дна и не смеща ются относительно нее . Такие стоячие структур ы в потоках , наблюдаемые в океанических те чениях типа Куросио , относительно легко измер ять в силу их долгоживучести . Отме т им также атмосферный аспект проблемы : стоячая структура в воздушном потоке над городом блокирует процессы обмена и способств ует образованию смога . Эти процессы сейчас активно изучаются . Получив объяснение эффекта в простой с итуации , захотелось , как это об ычно быв ает , немедленно рассмотреть более общие случа и , чтобы оценить реальность развитой теории . В частности , предположение о постоянстве ск орости движения внешнего возмущения представляет ся слишком сильным для океанологии . И мы рассмотрели ряд других во з можных движений . Здесь мне бы хотелось остановит ься на равноускоренном движении . Первый вопро с : существует ли резонансно движущийся солито н - решается тривиально . Такой солитон , конечно же , имеется , но его скорость должна сл едовать за скоростью внешнего в о зм ущения , значит , амплитуда солитона неограниченно нарастает . Вопрос об устойчивости такого со литона оказался еще более простым , чем в случае равномерного движения . Так , ускорение ведет к наклону потенциальной поверхности , поэтому если на ней была ямка , т о она и останется , при условии , конечн о , что перекос невелик . Если же была го рка , то из-за наклона на поверхности также образуется ямка . В результате солитон мож ет захватываться внешним возмущением любого з нака , и это явление должно быть широко распростран е но . Коне чно , для простоты изложения мы очень загру били модель : на самом деле солитон при взаимодействии не остается неизменным , часть его энергии излучается , теряется также масс а солитона (эти эффекты , естественно , учтены в нашей теории ). Число определяющ их п араметров на самом деле велико (как миниму м два - для возмущения и два - для солит она ), так что возможны более разнообразные , чем описанные здесь , режимы взаимодействия со литона с внешним возмущением . Учитывая прибли женность теории , мы специально пров е ли численное моделирование такого воздейс твия в рамках более полных уравнений , подт вердившее правомочность первоначальных оценок . На рис .4 показан результат расчета захвата с олитона ускоренно движущейся силой. Выше мы описали простейшие режимы взаи модейств ия солитона с внешним возмущением . Подход , при котором нелинейная волна рас сматривается как частица , оказался весьма пер спективным . Мы поняли , когда солитон может быть захвачен внешним полем , а когда отто ргнут им . Сразу стало ясно , куда надо д вигаться дал ь ше в решении этой проблемы . Например , внешнее возмущение может з ахватить несколько солитонов . Такие примеры м ы уже получали в численных экспериментах . Ответа на вопрос , сколько таких солитонов может быть захвачено одновременно , пока еще нет . Хоче тся также более внимательно рассмотреть геофизические аспекты этой проблемы , связанные с существованием стоячих структур в течени ях (данные наблюдений за биопродуктивностью о кеана выявляют корреляцию между интенсивностью этого процесса и местоположением таких стр у к тур ) и в атмосферных потоках над городами (в связи с проблемой смога ). Большинство таких процессов принципиально свя зано с внутренними волнами , скорость которых мала (1 м /с ), и им легко затормозиться на препятствиях . К сожалению , поле внутренни х волн оказ а лось весьма чувствител ьным к деталям стратификации плотности океана . Друг ой важный аспект - анализ солитонов с точк и зрения морских природных катастроф (цунами , ураганы ), поскольку они могут распространятьс я на большие расстояния . Но здесь пока еще многое остается только на уровне оценок. Лит ература о волнах : П . Ле Блон , Л . Майсек "Волны в океане ". В двух частях . М .: Мир , 1981. И.Т.Селезнев , В.Н.Сидорчук "Трансформация волн в прибрежной зоне шельфа ". Киев : Наукова думка , 1983. Н.Е.Вольцинг ер "Длинные волны на мелк ой воде ". Л .: Гидрометеоиздат , 1985. Кадомцев Б.Б ., Рыдник В.И . Волны вокруг нас . – М .. 1981 Кок У . Звуковые и световые волны . – М ., 1966 Трофимова К.И . Курс физики . – М ., 1990

В наш век высоких технологий, новые научные открытия и изобретения стали чем то привычным. Изобретения появляются и устаревают с ужасающей скоростью. Но существуют такие творения рук человеческих, которые не устареют никогда. К ним относится самое банальное, известное всем нам с самых юных лет колесо. Оно является древнейшим и величайшим инженерным чудом. Стоит также отметить, что колесо является, пожалуй, первым изобретением человека, которое он создал сам, ведь в природе не встречается ничего даже близко похожего.

И сейчас по настоящему сложно представить, как люди бронзового века смогли создать то, что служит человечеству, и по сей день. Действительно, неизвестно как бы развивался технический прогресс без обычного, всем известного колеса. Ведь в настоящее время вся транспортная система, механика и многие ремесла строятся на изобретении неизвестного нам человека, эпохи бронзового века. Именно поэтому я выбрал это изобретение, как тему моего реферата. Также мы рассмотрим вопросы, касающиеся того, как шел процесс инженерных размышлений древнего человека, когда именно и кем было изобретено колесо, а также какое значение имело данное изобретение на этапах развития человечества.

Цель данной работы, показать значение данного изобретения, доказать значимость его влияния на развитие профессий, транспорта, научно-технического прогресса, а также попытаться рассказать историю его появления. А также познакомиться со строением колес в разные исторические периоды человечества

1. Изобретение колеса

Считается, что данное архаичное изобретение пришло к нам из бронзового века. По данным археологических находок, первые древние конструкции напоминающие колеса, относятся к периоду 4000-9000 до нашей эры. Найдены эти реликты древности были в местах с довольно развитой цивилизацией, по рамкам той эпохи. Люди, живущие там, умели обращаться с металлом, выплавлять из него конструкции разной степе сложности. Например, в Месопотамии уровень металлургии был настолько высок, что местные жители научились создавать первые, простейшие колесные повозки. Устройство этих повозок было элементарно, однако по тем временам это казалось вершиной технологического прогресса. Четырех и двух колесные повозки и колесницы были найдены близ древнего города Кир и датированы 3200 годом до нашей эры.

Ученые предполагают, что прообразом колеса были простейшие катки, которые были сделаны и стволов деревьев. Человек заметил, что катить тяжелый объект гораздо легче, чем тащить его по земле. Необходимость перетаскивать тяжелые объекты на огромные расстояния побудила человека изучать свойства, вращающихся тел. Так люди со временем заметили, что каток с более узким центром и широкими краями устойчивее и реже теряет равновесие, также такое устройство реже заносило в стороны. Благодаря этим наблюдениям ремесленники стали обжигать катки в середине, тем самым делая ее тоньше, при этом края они не трогали, оставляя их без изменения. Человек из современного мира скорее всего назвал бы такое устройство скат.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Но все же пока это мало напоминало колесо в, привычном нам понятии. Конструкция продолжала усложняться и совершенствоваться. Так людям пришла в голову идея не использовать целое полено, а оставить два вала, соединенных не толстой деревяшкой, как раньше, а тонкой осью. Лишь потом, валы стали делать отдельно и очень крепко прикреплять к оси. Именно данную конструкцию по праву и можно назвать первым колесом и первой повозкой.

А найдено данное чудо инженерной мысли, в первые, было в Индии 4 века до нашей эры. Особенность конструкции первого колеса заключалась в том, что оно вращалось вместе с осью, что было удобно при езде по прямой дороге, однако если колеса начинали вращаться с разной скоростью, как например на поворотах, начинались сложности, а именно, ось могла сломаться, что влекло за собой не работоспособность всей конструкции. Примерно в это время люди начали запрягать животных в повозки, что увеличить тягловую силу.

Изобретение очень быстро начало свое путешествие по свету. Особое распространение оно получило в степных районах Азии и Сибири, а также в Китае и Европе. Использование колеса в Европе было особенно выгодным, благодаря огромным запасам лесного материала и наличие большого количества долин, для перемещения по которым, колесные повозки подходили как нельзя лучше. Любопытным фактом является то, что коренные жители Южной Америки, Австралии и Океании так и не изобрели колеса, к моменту прихода колонистов. Скорее это связано с отсутствием у них больших тягловых животных, которых можно было бы запрягать в повозки. Данные цивилизации так и не смогли достичь крупного технического прогресса, в том числе по причине отсутствия достойной логистики. Отсюда мы можем сделать вывод, что так благодаря открытию колеса, стала доступна возможность доставки тяжелых грузов на большие расстояния, что и позволило человечеству подняться на новую ступень экономического и технического развития.

Во время своей работы земли касается только малая часть всей конструкции, благодаря этому нагрузка на ось уменьшается в разы. Основная суть и функция колеса состоит в том, что оно существенно уменьшает затраты энергии, необходимые для перемещения объекта по относительно ровной поверхности, то есть дороге. Во время использования колеса, мы совершаем работу против силы трения, что позволяет нам затрачивать гораздо меньше сил для передислокации объекта. Колесную ось принято относить к группе шести основных механизмов нашей цивилизации, она позволяет нам добиться превосходства в силе за счет крутящего момента. Таким образом, колесо является одним из простейших способов получения механического преимущества.

Очень важно также учитывать сцепление поверхности колеса с дорогой, для этого были придуманы специальные рифления, на внешней поверхности колеса. Верхняя часть колеса движется быстрее, чем нижняя. С физической точки зрения, это очень легко объясняется. Вверху вращательная скорость движения колеса прибавляется к поступательной, внизу вращательная скорость движения направлена в обратную сторону и отнимается от поступательной. Очень важно не забывать о том, что способность колеса сохранять энергию также очень востребована в механизмах. Имеются в ввиду шестеренки, которые используются во многих современных механизмах, например в часах мельницах, замках. Причиной этому является способность колеса максимально эффективно передавать механическую энергию.

3. Значимость колеса в развитии транспортной системы мира

В далекие времена, когда человек занимался охотой, он обнаружил, что добычу гораздо легче переносить на своеобразном подобии саней или повозок. Это позволяло брать с собой гораздо больше добычи. Позже люди додумались, что эффективней использовать повозки в паре с дисковыми колесами, которые в свою очередь были прикреплены к тонкой оси. Данная система и является прямым потомком колеса. Также можно считать, что первым транспортом на нашей планете, может считаться двухколесная повозка, созданная по указанному выше устройству.

По мере развития цивилизационных начал развивалась и транспортная система. Ее развитие в свою очередь несло за собой появление дорог и усовершенствование колесного транспорта. Постепенно в прошлое стали уходить колесные системы с использованием жесткой оси, им на смену пришла более гибкая и упругая подвеска на деревянных планках. Теперь транспортные средства стали использоваться не только для перевоза грузов на большие дистанции, но и для частных быстрых коротких переездов. Для этого требовались облегченные небольшие экипажи. Их создание стало возможным благодаря открытиям в области металлургии. Люди научились выплавлять более легкие прочные и сложные конструкции из металла. Применение металла позволяла упрочнить давно известную конструкцию и дала возможность создавать более совершенные транспортные средства. Огромным изобретением также стало создание колеса со ступицей. Благодаря ему колеса больше не являлись одним целым и могли вращаться независимо друг от друга. Данная конструкция положила конец известной годами системе колеса + подвижная ось.

Нужна помощь в написании реферата?

Следующим шагом, стало изобретение велосипеда. Однако велосипедное колесо очень сильно отличалось от того, что человек, когда — либо создавал.

Колесо значительно убавило в весе и со временем потеряло практически все деревянные части. Им на смену со временем пришли легки, но прочные алюминиевые спицы. Также на смену деревянному ободу пришел алюминиевый. Такое колесо, вращалось во много раз быстрее, и было защищено от ударов о камни. Причем, из-за недостатков конструкции цепей ранних велосипедов, порой колеса первых велосипедов были действительно

огромными. Это делалось, чтобы сохранить как можно больше энергии и облегчить жизнь велосипедисту. Следующим местом, где колесо нашло свое предназначение, оказался поезд. Конструкция поездного колеса была абсолютна уникальна. Оно не имело спиц и было цельно-металлическим, также в нем присутствовал специальный паз для рельс. Такая конструкция могла выдержать огромную массу поезда и позволяла сохранять огромное количество энергии.

Пожалуй, последним огромным шагом в использовании колеса стало открытие двигателя внутреннего сгорания. Сначала он больше использовался в мореплавании, чем в передвижении по суше, однако с появлением первых мотоциклов, которые появились раньше машин, колесо вновь пришло модернизировать. Конструкцию сделали более прочной, так как скорости возросли, а также стали использовать шины, которые не только обеспечивали лучшее сцепление с дорогой, но и уменьшали нагрузку на обруч колеса. Пошел процесс бесконечной модернизации подвески автомобилей, но колесо ни миг не потеряло свою актуальность, так как замены ему, человечество не смогло придумать и по сей день. Поэтому устройство колеса улучшалось соответственно модернизации транспортных средств. Так например, со временем привычная система спиц утратила необходимость. Ей на смену пришла система, с готовыми штампованными дисками, которые были дешевле в производстве, а также показали лучшую надежность. Колесо нашло свое применение и в военных действиях, так например, несмотря на появление гусениц у танков, гусеничные траки и скаты все равно сохранили форму колеса. В настоящее время, изобретено колесо с электрическим приводом, рессорой амортизатором и тормозом, благодаря этому отпадает надобность в использовании многих систем автомобиля. Однако практическое использование данной системы еще очень далеко от идеала, поэтому пока она нашла свое место в основном в космических программах, а также на узконаправленных предприятиях.

Таким образом, обычное колесо проделало, путь от простого куска бревна, до инструмента, который помогает в изучении космоса.

4. Использование колеса во всех сферах жизни

колесо профессия транспорт дорога

Удивительным фактом является то, что колесо по мнению ученых впервые вошло в человеческую жизнь не как средство для упрощения дислокации. Впервые применение ему нашли ремесленники — гончары. Неизвестно, кто именно придумал гончарный круг, однако доподлинной является информация о том, что в один момент истории человечества качество глиняной посуды резко возросло. И датируются эти находки седьмым тысячелетием до рождества христова. Также колесо использовалось в конструкции прялки. Оно ускоряло и упрощало процесс создания пряжи. Позже к конструкции добавили педаль и так, получилась, самопрялка.

Нужна помощь в написании реферата?

Тяжело поверить, но появлению своего первого двигателя человечество тоже обязано колесу. Первым и самым простым двигателем на нашей планете стала водяная мельница. Она использовала поступательное движение воды для помола зерна. Данное изобретение в разы упростило процесс изготовления муки. Позже водяное колесо превратилось в настоящий основной двигатель всей мануфактурной промышленности. Занимательным фактом также является то, что КПД такой водяной мельницы составляет примерно 70-90 процентов, что приближается к результатам турбин, которые используются в настоящее время.

Колесо смогло найти себе активное применение и в физике. Одно из основных устройств в физике блок, стал возможет только благодаря изобретению колеса. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускают веревку, трос или цепь. Такое простое со стороны изобретение позволяет получить потрясающий результат. Огромное распространение колесо получило в механике. Например, такое гениальное изобретение, как шестерни, используются во многих механизмах, по сей день. За примером, необязательно далеко ходить, простые механические часы практически полностью состоят из систем шестерней и шарниров. Знаменитое изобретение Архимеда винт было создано тоже под впечатлением от устройства колеса. Стоит ли напоминать, что винты используются в нашем мире повсеместно.

Примеры использования колеса в нашей жизни можно приводить бесконечно долго. Мы уже не можем представить наш мир без колеса. Так как оно очень прочно вошло в нашу жизнь. Достаточно добавить, что вряд ли бы добился такого научно-технического прогресса без этого чуда инженерной мысли.

Колесо по праву можно считать одним из величайших изобретений человека за всю историю. В своей работе мы показали, путь данного инженерного изобретения сквозь века. В настоящее время уже нельзя дать четкий ответ на вопрос Что такое колесо?. Ведь данное изобретение нашло свое место в огромном количестве сфер нашей жизни. Нельзя так же преуменьшать значимость данного чуда инженерной мысли и развитии культур и цивилизаций древнего мира. Но, по моему мнению, изобретение колеса особенно важно тем, что это было первое изобретение человека, которое он не скопировал из окружающего мира. Это было нечто сделанное своими руками, нечто новое, показывающее творческое начало человека. И сейчас, когда человек научился подчинять себе природу, начал покорять глубины космоса и недра земли нам очень важно не забывать о том, с чего все начиналось, ведь только хорошо овладев базовыми знаниями можно открыть что-то новое.

Таким образом, мы доказали, что колесо является одним из важнейших изобретений человечества и то, что оно оказало колоссальное значение на наш мир.

Список использованных материалов

.Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г.

Нужна помощь в написании реферата?

Каждый знает, что водяные волны бывают разные. На поверхности пруда едва заметная зыбь слегка качает пробку рыболова, а на морских просторах огромные водяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличаются волны друг от друга?

Посмотрим, как возникают водяные волны.

Рис. 4. Прибор для ритмического возбуждения волн на поверхности воды

Для возбуждения волн на воде возьмем прибор, показанный на рис. 4. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б, стерженек В движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются круговые волны (рис. 5).

Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) называется длиной волны и обычно обозначается греческой буквой ? (лямбда) (рис. 6).

Рис. 5. Волны, создаваемые ритмично колеблющимся стерженьком; буквой ? обозначена длина волны

Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть, и частоту колебаний стерженька вдвое. Тогда число волн, появившихся за то же время, будет вдвое больше. Но при этом длина волн будет вдвое меньше.

Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой ? (ню).

Рис. 6. Поперечный разрез водяной волны. АБ — амплитуда а, БВ — длина волны ?

Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет ее вверх, а следующая за ним впадина опустит вниз. За одну секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны ?. Значит, пробка будет колебаться с частотой ?. Так, обнаруживая действие волн в любом месте их распространения, мы можем установить их частоту.

Рис. 7. Схема связи длины волны ?, скорости v и частоты ?. Из рисунка ясно, что v = ??

Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется ? волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке (рис. 7). Первая волна, образовавшаяся в начале секунды, дойдет до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на число образовавшихся волн, то есть на частоту ?. Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны v. Таким образом,

Длину волны и скорость распространения волн часто узнают из опыта, но тогда частоту v можно определить из вычисления, а именно:

Частота и длина волн являются их существенными характеристиками; по этим характеристикам одни волны отличают от других.

Кроме частоты (или длины волны), волны отличаются еще и высотой гребней (или глубиной впадин). Высота волны измеряется от горизонтального уровня покоящейся поверхности воды. Она называется амплитудой, или размахом колебаний.

Амплитуда колебаний связана с энергией, которую несет волна. Чем больше амплитуда водяной волны (это относится также и к колебаниям струн, почвы, фундамента и т. д.), тем больше энергия, которая передается волнами, причем больше в квадрат раз (если амплитуда больше в два раза, то энергия больше в 4 раза и т. д.).

Теперь мы можем сказать, чем океанская волна отличается от зыби в пруду: длиной волны, частотой колебаний и амплитудой.

А зная, какими величинами характеризуется каждая волна, нетрудно будет понять и характер взаимодействия волн друг с другом.

ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ

13. Сухим из воды

13. Сухим из воды Сейчас вы убедились, что воздух, окружающий нас со всех сторон, давит со значительной силой на все вещи, с которыми он соприкасается. Опыт, который мы собирается описать, еще нагляднее докажет вам существование этого, как физики говорят, «атмосферного

ЛЕКЦИЯ II СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ

ЛЕКЦИЯ II СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ На прошлой лекции мы рассмотрели общие свойства и расположение жидкой части свечи, а также и то, каким образом эта жидкость попадает туда, где происходит горение. Вы убедились, что когда свеча

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА ПО МЕТОДУ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА ПО МЕТОДУ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ 9.36. Следующие две главы посвящены описанию трех методов, применяемых для промышленного разделения изотопов урана. Они имеют наибольшее значение для Проекта в настоящее время. В начале работы

10 Почему океан не замерзает, или Вымораживание чистой воды

10 Почему океан не замерзает, или Вымораживание чистой воды Для опыта нам потребуются: пластиковая баночка, соль. Все говорят про экологию. Модное слово такое. Обычно при этом имеют в виду загрязнение окружающего нас мира. Действительно, загрязнить можно все что угодно.

17 Стоячая волна, или Буря в стакане воды

17 Стоячая волна, или Буря в стакане воды Для опыта нам потребуются: большая пластмассовая миска (можно взять широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлышком), миксер. Раз уж мы начали про веревки, подумаем, какие законы физики можно изучить с помощью веревки. Жидкости

Волны, идущие по поверхности

Волны, идущие по поверхности Подводники не знают морских бурь. В самые сильные штормы на глубине в несколько метров под уровнем моря царит штиль. Морские волны – один из примеров волнового движения, захватывающего лишь поверхность тела.Иногда может показаться, что

8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами

8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами Моря и океаны покрывают большую часть поверхности Земли, поэтому вероятность ударов астероидов и комет по водной поверхности выше, чем по суше.Волны в воде в ближней зоне удара. Волны, вызванные падением метеороидов в

8.4. Уязвимые объекты на поверхности Земли

8.4. Уязвимые объекты на поверхности Земли По мере развития человеческой цивилизации появляются все новые и новые аспекты астероидной опасности. В настоящее время на поверхности Земли построены высокие плотины гидроэлектростанций, крупные химические заводы, мощные

Сухим из воды

Сухим из воды Вам уже известно, что воздух, окружающий нас со всех сторон, давит с значительной силой на все вещи, с которыми он соприкасается. Опыт, о котором сейчас будет рассказано, еще нагляднее покажет вам существование атмосферного давления.Положите на плоскую

Читайте также: