
книги из ГПНТБ / Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля
.pdf60 |
|
|
Д И Ф Р А К Ц И Я В О Л Н Н А |
П Р Е Г Р А Д А Х |
|
|
|
Г Л . I I |
||||||||
В |
акустическом |
случае функции излучения ц>1, |
ф3 и ср^ имеют |
|||||||||||||
более |
четкий смысл |
и |
ими |
|
определяется излучение |
акустических |
||||||||||
волн |
в ж и д к о с т я х |
и |
газах |
при |
колебаниях |
твердого |
|
контура С |
||||||||
с единичными амплитудами поступательных (т = |
1, 2) и |
враща |
||||||||||||||
тельной (т — 3) скоростей |
|
[ 6 8 , 6 9 |
]. Выразим функции ф т |
через зна |
||||||||||||
чения этих функций и их нормальных |
производных |
на |
контуре С. |
|||||||||||||
Д л я |
этого |
рассмотрим область |
S, |
ограниченную |
контуром С |
|||||||||||
+ 2 |
-f- К, |
где 2 — окружность |
|
большого |
радиуса |
г |
с |
центром |
||||||||
в начале координат плоскости осу и К — окружность |
|
малого ра |
||||||||||||||
диуса |
б с |
центром |
в |
точке |
Р (х, |
у). |
П р и м е н я я формулу |
Грина |
||||||||
в области S |
к ф у н к ц и я м ф т |
|
и |
(/с0 гг ), удовлетворяющим |
уравне |
|||||||||||
нию |
(7.4) |
и |
принципу |
излучения |
(7.5), |
получим |
|
|
|
|
||||||
|
|
3 |
|
|
д<Рт |
|
|
|
К > |
( V i ) ) |
dl |
= |
0 |
(7.7) |
||
|
|
Н? |
(Кг,) |
дп |
Ф |
дп |
||||||||||
|
с+х+к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
(г1 = У(х-1Г |
|
+ |
|
(у~г]П |
|
|
|
|
||||
где г, — расстояние |
между |
точкой |
Q |
(£, н) |
границы |
области S |
иточкой Р.
На основании принципа излучения (7.5) интеграл по 2 стре
мится к н у л ю при |
г - > |
оо. Д а л е е , |
согласно |
(3.8), |
д л я малых зна |
||||||
чений г, |
функция |
# d 2 |
) |
( & o r i ) |
и |
е е |
производная |
представляются |
|||
в форме |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я ( 0 2 ) (кг,) ; |
2/ |
In |
rv |
|
|
|
|
2/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
яг. |
|
С т я г и в ая |
окружность К |
в |
точку |
Р , |
будем |
иметь |
|
|
|||
Jim |
(кг,) |
дЧ>т |
|
|
Ф |
|
(я[)2) (Vi)) dl = |
% _ |
(ж, у), |
||
дп |
|
|
дп |
||||||||
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
||
и, следовательно, |
выражение |
(7.7) |
после |
предельного |
перехода |
б0 и г - > оо принимает вид
ф(*> г/) |
4 J |
дп |
•Ф |
а |
(/4 |
2 ) |
(Vi)) |
Л . (7.8) |
т |
J |
|
|
|
|
Определим теперь асимптотический вид функций фг а п р и боль ших г. С этой целью воспользуемся соотношением (3.12) и примем во внимание, что при больших г
|
|
г , « г — (I cos 8 - f i | sin 8) |
I tg 8 = |
Тогда |
получим |
|
|
• |
Я 0 2 ) |
— j+jft0 (5 cos e+т) |
sin 9) |
= |
|
§ 7 О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Д И Ф Р А К Ц И О Н Н Ы Х Г И Д Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Х С И Л 61
В соответствии с этим из формулы (7.8) находим
/ $ „ ( * „ , 9) - J ( y - f ) |
. 7 Q 4 |
(8я/«0г) / 2
где величины (? т (&о> в) представляют собой асимптотические ха рактеристики функций излучения и рассеяния, определяемые из равенства
Qm {К |
0) = |
\[f д-^г - |
Ф т |
|
/ = е |
х Р yfto (* cos е + |
г/ sin 9)j. |
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
(7.10) |
В ы р а ж е н и я |
(7.9) показывают, что |
функции излучения и рассея |
||||||
ния при г |
оо определяют |
волны, |
расходящиеся |
во все стороны |
||||
от контура С и принадлежащие к |
типу |
обобщенных |
кольцевых |
|||||
волн, отмеченных в § 3. |
|
|
|
|
|
|||
2. О б о б щ е н н ы е |
к о э ф ф и ц и е н т ы |
п р и с о е д и |
||||||
н е н н ы х |
м а с с и |
д е м п ф и р о в а н и я . |
Введем в рас |
|||||
смотрение группу комплексных коэффициентов |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
Д л я |
акустического |
волнового |
поля, |
возбужденного |
жестким |
|||
колеблющимся котуром |
С, величины ц&т |
и Xsm представляют со |
бой обобщенные коэффициенты присоединенных масс и демпфиро
вания [ 6 8 , 6 9 ]. В самом |
деле, |
при колебаниях |
контура |
С с тремя |
||||||
степенями свободы акустический потенциал и давление |
выражают |
|||||||||
ся в |
виде |
|
|
+ и2щ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф = |
<7 1 ф 1 |
+ £78фз, |
|
|
|
| |
||
|
|
(Us(t)^use^) |
|
|
|
|
|
|
|
(7.12) |
|
|
р = |
— р/оФ = — р/о- ((7^ ! + |
С/./р2 + |
С73ф3), |
J |
||||
где |
Us |
— проекции |
поступательных (s = |
1, |
2) |
и вращательной |
||||
(s = |
3) |
скоростей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозначим через YL |
и F 2 |
проекции гидродинамических сил на |
||||||||
оси а; и у, а через Ys |
— момент относительно оси z гидродинамиче |
ских сил, действующих на контур С. Тогда на основании общих формул
У 1 |
= |
— j р cos (re, |
х) dl, |
Y2 |
— — |
^ р cos (re, |
у) dl, |
|
|
|
|
0 . |
|
|
|
С |
|
|
(7.13) |
F 3 |
= |
— ,| |
Р ( х cos (re, у) — у cos (и, ж)) ей |
|
|
||||
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
и выражений |
(7.6), |
(7.11) и |
(7.12) |
получим |
|
|
|||
Yin |
= |
- /о S |
= - |
£ |
k m |
- л 1 - + |
. |
(7.14) |
8=1 |
5=1 Х |
«2 |
Д И Ф Р А К Ц И Я В О Л Н Н А П Р Е Г Р А Д А Х |
Г Л . I I |
Эти ж е формулы определяют гидродинамическую реакцию, дей ствующую на каждое сечение вертикальной преграды в т я ж е л о й жидкости пр и деформационных колебаниях следующего вида:
c h кп (« + h) ш
В ы р а ж е н и я (7.14) показывают, что величины |
\ism(K) и |
Кт(к0) |
я в л я ю т с я обобщенными коэффициентами присоединенных |
масс |
|
и демпфирования . В отличие от неограниченной |
невесомой ж и д к о |
сти, появление в рассматриваемом случае демпфирующих эф
фектов |
обусловлено |
затратой энергии |
на |
излучение волн. |
П р и |
||
к0 = |
0 волновое уравнение (7.4) превращается в уравнение |
Л а п |
|||||
ласа. |
В |
этом случае |
коэффициенты Zsm |
(0) |
действительны, |
т . е . |
|
|
|
^ ( ° ) = ^ т ( 0 ) . |
^ т ( 0 ) = о, |
|
|||
причем |
\ism (0) представляют собой |
обычные |
коэффициенты присо |
единенных масс, х а р а к т е р и з у ю щ и е присоединенную инерцию не
ограниченной и |
несжимаемой |
|
жидкости при |
плоском |
движении |
||||
жесткого |
контура С |
[28> 4 2 , 4 6 , |
4 |
7 ] . |
|
|
|
||
В другом |
случае |
к0 -*• оо |
к а ж д ы й |
элемент |
контура |
излучает |
|||
п л о с к у ю |
волну, |
р а с п р о с т р а н я ю щ у ю с я |
в направлении |
нормали |
|||||
(лучевая |
теория): |
|
|
|
|
|
|
||
ф |
= |
Ae^at-h^x |
0 0 • (n-x)+v |
0 0 |
s (n,v)lt |
grad Ф = |
•— / — Фя |
||
|
|
|
|
(с = |
afk0). |
|
|
|
|
Поэтому |
из |
соотношений |
|
|
|
|
|
р = — р/аф , дФ/дп = Un па С
(U„ = £/х cos (га, х) + U2 cos (га, у) -f- U3 (х cos (га, у) — у cos (га, х)))
получаем, что давление в |
точках |
контура С в ы р а ж а е т с я |
через |
нормальную скорость Un |
следующим образом: |
|
|
|
р — pcU |
„ . |
|
Это означает, что при больших к0 формулы (7.13) приведут |
только |
к демпфирующим силам с коэффициентами демпфирования, про
порциональными фазовой скорости |
с. Д л я потока малой |
глубины |
||
ф а з о в а я скорость |
с не зависит от |
кп, |
а при конечной |
глубине |
жидкости |
|
|
|
|
следовательно, дл я конечной ил и неограниченной глубины |
ж и д к о |
|||
сти коэффициенты |
u . s m и Ksm обращаются |
в н у л ь при к 0 - + о о . |
g 7 О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Д И Ф Р А К Ц И О Н Н Ы Х Г И Д Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Х С И Л |
63 |
Л е г ко показать, что коэффициенты ц$т и Ksm образуют симмет ричные матрицы. С этой целью установим правило перестановки
•5 дп ~ " |
|
dl |
(7.16) |
J |
дп |
|
Сс
для всех функций ф т , в том числе и <pD. Применяя формулу Грина к функциям ц>$ и ф т и учитывая (7.4), будем иметь
|
|
дп |
Ф™ |
дп |
<й = |
0. |
|
|
С+2 |
|
|
|
|
Н о |
на основании |
принципа |
излучения |
(7.5) |
интеграл по контуру |
|
2 |
обращается в |
нуль при г - > оо, и поэтому |
||||
|
|
dn |
— фm |
дп |
dl = |
0. |
|
|
|
|
Отсюда вытекает правило перестановки (7.16) и, следовательно,.
—%т$-
По к а ж е м , что коэффициенты демпфирования Xsm можно вы разить через асимптотические характеристики Qm (к0, 0). Рас смотрим для этого комплексно-сопряженное выражение
(j sm |
дп |
дЧ>т |
па С), (7.17) |
дп |
|
где на основании (7.9) асимптотический вид функций ф* следую щий:
Ф„, = |
п — е ' |
4 / + с) г - 3 М . |
(7.18) |
Y m |
(8л v ) ы |
|
|
С другой стороны, из формулы Грина с учетом (7.6) имеем
Ф* —я |
'ф. |
d<?s |
dl |
dr |
ф |
dl (dl = r dG). |
дп |
т |
дп |
|
|
|
Принимая во внимание правило перестановки (7.16) и выражения (7.11) и (7.17), найдем
т р а / И»: |
дф и |
фт дг dl. |
(7.19) |
dr |
Воспользовавшись теперь асимптотическим равенством (7.9) и (7.18), окончательно получим
|
_ 2л |
"I |
|
К Т = ~&г ^ |
•( ^ ( / С <" 8 ) ^ |
9 ) ^ '' |
( 7 ' 2 0 ) |
64 |
|
|
|
Д И Ф Р А К Ц И Я В О Л Н НА П Р Е Г Р А Д А Х |
|
|
Г Л . I I |
|||||||||||||
Этот ж е |
результат можно |
установить |
при |
помощи |
энергетических |
|||||||||||||||
соображений [ 6 |
8 ] . |
Zsm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Коэффициенты |
зависят |
т а к ж е |
от |
геометрических |
свойств |
|||||||||||||||
контура |
С. |
Если |
контур С симметричен относительно оси х, то |
|||||||||||||||||
из условий |
(7.6) |
следует |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
<Pi |
|
У) = |
4>i (*» |
~ |
V), |
|
Ф т (*. |
У) |
= ~Ч>Т |
|
(Х> |
—У) |
( Т |
: = |
2> |
3 ) ' |
||||
поэтому |
Z 1 3 |
= |
Z 1 3 |
= |
0, |
а при |
симметрии контура С относительно |
|||||||||||||
оси |
ординат |
Z 1 2 |
= |
Z 2 3 |
= |
|
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В |
ряде случаев |
функции |
излучения |
ф т |
легко |
определяются . |
||||||||||||||
Т а к , |
например, при |
излучении |
круговым |
цилиндром |
радиуса а |
|||||||||||||||
д л я функций щ |
и ф 2 |
(ф 3 |
= |
0), |
удовлетворяющих |
(7.4) |
— (7.6), |
|||||||||||||
имеем дипольныо |
в ы р а ж е н и я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ч>1 = |
| / 7 Ч 2 ) ( | ) |
C |
° S 9 |
> |
Ф« = |
1 Н Ч 2 ) |
( Л ) |
|
8 1 1 1 0 |
Й = |
*«>«)• |
( 7 - 2 1 ) |
|||||||
В этом |
случае |
Z u |
= |
Z 2 2 |
= |
u, — /Я,/а |
и |
из |
(7.11) находим |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•7/(2) (£\ |
|
|
|
/ / ( 2 ) (Е\ |
|
|
|
||||
М- №о) — |
— |
|
(К) |
= |
(А (°) |
|
) © |
|
= |
Ц (0) |
— 1 |
|
— |
(7.22) |
||||||
|
|
|
а |
^ |
|
r W | f f i ( 2 |
|
|
|
Я[ 2 ) (?) - |
?#0 2 ) (I) |
|
V |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(р (0) |
= |
рла 2 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая (6.12), получаем в отдельности значения и. (кв)
„ (ь |
\ - |
„ кг, А (£) (А (5) ~ Ы |
(£)) + ^ |
(5) |
(?) - |
(£)) |
|||||
р ^ |
- р м |
( / i |
( g ) |
_ g / e |
( | ) ) 2 |
+ |
( l ) _ |
{ l ) ) t |
|
||
X { K ) |
= |
A |
_ |
(I) - |
IJ0 |
(|))» + {Nx |
(I) - |
IN0 |
(£))» ' |
|
|
|
|
n |
(J, |
|
иК (к0)г
(7.23)
причем д л я малых |
£ = |
/с0 а в |
соответствии |
с (3.8) имеем |
|
||||||||
|
|
|
|
Ь « Х |
= |
- ± |
Стр |
(0) я ? . |
|
|
|
(7.24) |
|
На рис. 2.2 представлены зависимости |
ц. (§)/ц. (0) |
и A (g) /Я, кото |
|||||||||||
рые, как видим, находятся |
в |
согласии |
с общими |
соображениями |
|||||||||
о |
характере |
этих |
зависимостей. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Отметим еще, |
что |
в ы р а ж е н и я |
(7.21) |
и |
(7.22) позволяют |
пред |
||||||
ставить вектор-функцию Ф |
= |
iyt |
-f- /фг в |
виде |
|
|
|||||||
|
р (к0) |
— X (к0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ф |
= |
ШП^ |
Н Р |
( V ) er, |
er |
= |
i cos 9 + |
j sin 0. |
(7.25) |
||||
|
Определим |
теперь |
функции излучения |
ф т |
д л я |
эллиптического |
|||||||
цилиндра с полуосями а = |
% chg„ и |
Ъ = |
х sh |
£ 0 , где 2х — фокаль |
|||||||||
ное расстояние. С этой целью перейдем |
к |
эллиптической |
систе |
||||||||||
ме |
координат |
£ |
и г] п р и |
помощи |
конформного |
преобразования |
§ 7 |
О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Д И Ф Р А К Ц И О Н Н Ы Х Г И Д Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Х С И Л |
65 |
|||||||||
плоскости z = |
х -f- jy |
на |
плоскость £ = |
| + |
/л: |
|
|
|
|||
|
2 = |
x c h £ , x = x c h | c o s r | , |
г / = |
к s h gsin т]. |
(7.26) |
||||||
Легко видеть, что координатным линиям |
£ = |
const в |
плос |
||||||||
кости |
£ соответствует |
совокупность |
софокусных |
эллипсов |
в |
||||||
|
JL А ' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А \ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я/л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
5 |
4 |
|
5 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.2. |
|
|
|
|
|
|
плоскости z, а координатным линиям |
п = |
const |
соответствует |
||||||||
совокупность |
софокусных |
гипербол, |
ортогональных к |
эллип |
|||||||
сам. |
Д в а ж д ы |
пробегаемый |
отрезок (—х. к) |
представляет |
собой |
|
|
|
|
Рис. |
2.3. |
|
|
|
|
|
вырожденный |
эллипс |
g = |
0 |
и |
| п | < |
я , |
а части |
координатной |
||
оси [ х | > х соответствуют |
вырожденным |
гиперболам |
г) = 0 и |
|||||||
г) = ± я. (Е > |
0) |
(рис. |
2.3). |
|
|
|
|
|
|
|
Воспользовавшись |
соотношением |
|
|
|
|
|||||
|
cte2 |
aj/ |
\ |
а« + atf |
|
|
|
|||
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
||
преобразуем волновое |
уравнение |
(7.4) |
к виду |
|
|
|||||
|
52 ф |
+ ^ |
г + |
{к0я? |
(ch2 1 - |
cos2 ц) Ф = |
0. |
(7.27) |
3 М. Д. Хаскинд
66 Д И Ф Р А К Ц И Я В О Л Н Н А П Р Е Г Р А Д А Х Г Л . I I
Е с ли |
функция |
ф (£, и) |
известна, |
то |
вычисление |
производных |
||
д(р/дх |
и д(р/ду |
можно |
выполнить |
|
по |
формулам |
|
|
dq> |
|
1 |
|
(-3=г s h |
I cos Ti — - ~ - c h I sin n ) , |
|||
|
x (ch2 £ — cos2 т|) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.28) |
|
к № |
£ - cos2 |
n) |
( Ж ° h |
g |
Si" Л |
+ ~^ S h 5 C°S |
Л)' |
Д л я нахождени я частных решений уравнени я (7.27) представим функцию ф в виде произведения F (%) G ( м ) ; тогда (7.27) распа дается на следующие обыкновенные дифференциальные у р а в н е н и я :
|
|
- | ^ - + ( А , - 2 8 с о з а т , ) С = 0, |
|
|
|
|||||
где |
К — постоянная |
расщепления, |
а |
0 = |
(Аус)2 /4. |
|
|
|||
|
Н а м понадобятся только однозначные |
частные решения . Д л я |
||||||||
этого функция |
G (т)) должна быть |
периодической |
функцией |
с пе |
||||||
риодом 2л.. Этим условием определяется |
дискретное |
множество |
||||||||
характеристических |
чисел |
Хп (0). Дифференциальное |
уравнение |
|||||||
дл я |
функции |
G (т]) |
есть |
уравнение |
типа |
Штурма — Л и у в и л л я . |
||||
Известно, что |
характеристические |
числа |
этого |
у р а в н е н и я |
при |
определенных граничных условия х образуют счетную неубывающую последовательность Кп (0) (п = 0, 1, 2, . . . ) , и соответствующая система фундаментальных функций образует полную ортогональ
ную систему. В с я к а я |
непрерывная |
функция |
с кусочно - непрерыв |
||||||||||||||
ными производными |
разлагается |
в |
абсолютно и |
равномерно схо |
|||||||||||||
д я щ и й с я |
ряд но |
фундаментальным |
функциям |
рассматриваемой |
|||||||||||||
граничной |
|
задачи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Известны следующие фундаментальные системы функций G (ц): |
|||||||||||||||||
нечетные |
периодические |
|
функции Матье |
se„ (п) (п |
= |
1, |
2, |
... ) и |
|||||||||
четные периодические функции Матье се„ (п) (п = |
0, |
1,2, |
... ) со |
||||||||||||||
следующей |
|
нормировкой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
я |
|
|
|
|
|
я |
|
|
^2л |
(п = |
0) |
|
|
|
|||
\ |
|
[se n (n )f di\ |
= |
n, |
- л |
J [ c e B |
( r i ) l a d T i = |
, |
|
, |
|
|
< 7 - 2 9 ) |
||||
- л |
|
|
|
|
|
|
|
l |
я |
(пфО). |
|
|
|
||||
П р и такой нормировке |
се„ (п) и |
se„ (п) |
представляются |
рядами |
|||||||||||||
Фурь е [ 6 9 ] . |
|
|
оо |
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
с е г а ( м ) = |
m = 0 |
Anmcosmr\, |
sen |
(TJ) = |
^ |
Bnm |
sin mr\, |
|
(7.30) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m = l |
|
|
|
|
|
|
||
где индексы пит |
одинаковой четности и коэффициенты Л п т |
и Z?n m |
|||||||||||||||
я в л я ю т с я целыми функциям и параметра 0. |
Ф у н к ц и и |
F (|), соот |
|||||||||||||||
ветствующие |
функция м Матье sen |
(п) и с е п (п) и |
удовлетворяющие |
||||||||||||||
принципу |
|
излучения , называют |
функциями |
Матье — Г а н к е л я и |
|||||||||||||
обозначаются через |
Se„ (g) и С е п (£). Асимптотический вид этих |
« 7 О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Д И Ф Р А К Ц И О Н Н Ы Х Г И Д Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Х С И Л |
67 |
ф у н к ц ий при г = |
(х2 |
-f- у2)1,г |
->• оо такой |
же , |
как |
и дл я |
функций |
|||||
Ганкел я Н(п (к0г), |
|
т. е. r - 1 / « |
ехр |
(—ik0 r). |
Д л я |
Sen (£) |
и Се„ (g) |
|||||
имеются разложени я в ряды |
по |
функциям |
Бесселя |
— |
Ганкеля |
|||||||
[39' |
128] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итак, имеем следующие частные решения волнового |
уравнения |
||||||||||
в |
эллиптической |
системе |
координат: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
itf> |
= Sen (g)seB (Ti) |
{п = |
\, |
2, |
. . . ) , |
|
|
||||
|
f» 2 ) |
= |
С е п © |
с е п (и) |
(га = |
0, |
1, |
. . . ) , |
|
( ? - 3 1 ) |
удовлетворяющие принципу излучения . С их помощью можно
строить решения |
внешних граничных задач д л я волнового |
у р а в |
нения . |
|
|
Приступим к |
определению функций излучения ф 1 ( <р2 |
и ф 3 . |
Вначале преобразуем граничные условия (7.6) к эллиптической
системе |
координат. |
На |
|
эллипсе |
| |
= |
£о справедливы равенства |
|||||||||
|
cos |
(п, |
х) dl — dy |
— х sh £0 cos |
r\ dr\, |
|
|
|
||||||||
|
cos |
(n, |
y) dl |
= — dx |
= x ch £0 |
sin r) dx\, |
|
|
(7.32) |
|||||||
|
dtp |
|
|
|
|
|
|
|
Зф |
|
|
dip |
|
|
||
|
dl |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
дп |
|
|
|
|
|
ИГ |
|
|
|
dz |
6=-L |
|
|||
где dZ — элемент дуги эллипса, и обход по эллипсу |
осуществляется |
|||||||||||||||
против |
часовой |
стрелки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
На |
основании |
(7.32) |
граничные |
условия (7.6) |
принимают вид |
|||||||||||
= з< sh Е0 |
cos r|, |
|
== к ch £0 |
sin |
ц, 4 ^ = ^ s i n 2 n |
(7.33) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
при |
I |
= |
| 0 . |
|
|
|
|
||
Представим |
функции |
ц>т |
(т |
= |
1, |
2, 3) в |
виде разложений в |
|||||||||
ряды по функциям |
Матье — |
Ганкеля: |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Фх |
|
|
|
|
Се2 п + 1 |
(1) |
се,2 п + 1 |
(л), |
|
|
||||
|
|
|
п = ( ) |
|
|
С е 2 п + 1 ^ о ) |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Ч>2 |
|
|
|
|
Se.2 n + l |
(5) |
se 2 n + l |
(л), |
I |
(7.34) |
||||
|
|
|
|
' 2 п + 1 |
с |
' |
|
/Е v |
||||||||
|
|
|
|
|
п = 0 |
|
|
й е 2 п + 1 l£o) |
|
|
|
|
||||
|
|
Фз |
|
V |
i. |
S e 2n(s) |
|
|
, |
ч |
|
|
|
|||
|
|
|
> |
b2n |
„ |
- |
, |
se„ |
(т)), |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
„ = 1 |
|
S e 2 n do) |
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
|
|
|
|
d C e . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cem (s0 ) |
= |
|
|
|
Sem (£„) |
a ' S e B |
|
|
|||||||
|
dl |
/6-5.' |
« |
11-*, |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Воспользовавшись ортогональностью функций Матье и усло |
||||||||||||||||
виями |
(7.33), получаем |
следующие |
значения |
дл я |
коэффициентов |
3*
68 |
|
Д И Ф Р А К Ц И Я В О Л И Н А П Р Е Г Р А Д А Х |
разложений |
в |
(7.34): |
а 2 „ + 1 = |
Х |
I T * " J C ° S 1 1 С е 2 п + 1 (Л ) d r l = X S h V W l . l . |
|
|
—л |
|
|
я |
b2n+i = |
-J- ch l 0 j sin T) se 2 n + 1 (TJ) dr, --= * ch l n B 2 n + U i , |
— я
я
— я
гл. п
(7.35)
В рассматриваемом |
случае |
|
коэффициенты |
|
9<Рт \ |
|
|||||||||||||||
Z |
= ц |
|
|
л |
= — р \ Ф |
—~— dl |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
= — р \ ю |
|
|
|||||||||||||||||
|
mm |
fmm |
|
о |
, n m |
|
) |
m |
|
дп |
|
|
|
|
) • r |
|
|
||||
л е г ко |
в ы р а ж а ю т с я |
через Лгп+1,ь |
^ 2 n + u |
и |
#2n,2 - В самом |
деле, |
|||||||||||||||
принимая |
во внимание (7.33)—(7.35), |
найдем |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
V 1 |
^ e 2 n + l ^ о ) |
.2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
"7Г Х п |
• р л х 2 |
sh 2 1 0 |
п = 0 |
|
+ |
|
|
Л ЙИ - 1 . 1, |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ь е 2 п + 1 (So) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^22 |
' |
_ |
1 |
— |
- р л х 2 |
ch2 E0 |
2 J |
G |
. |
|
.,Ч |
|
|
(7.36) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n=rt |
Ь С 2 п + 1 |
* W |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
рях* |
у |
|
e 2 n (So) |
D 2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
V |
|
S |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ Se2 n (g0 ) |
|
£>2п,2- |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Из |
в ы р а ж е н и й |
(7.36) |
нетрудно |
найти |
предельные |
значения |
||||||||||||||
V-mm (0). Действительно, |
при кп = |
0 |
имеем |
равенства |
|
|
|||||||||||||||
|
Sen (1) = |
е~п\ |
Cen (g) = |
е~п\ |
|
sen |
(TJ) = |
sin ту cen (м ) = |
cos пц, |
||||||||||||
|
Апп — |
|
= |
1, |
|
|
^jjm — О, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
в |
соответствии с которыми |
получим известные |
в ы р а ж е н и я [2 8 '4 2 4 6 ] |
||||||||||||||||||
|
| |
i u |
(0) = |
ряЬ», |
и.2 2 (0) |
= рла2 , |
|
ц 3 ,(0)== |
4 - р " ( а 2 - Ь 2 ) 2 |
(7.37) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
(а = к ch | 0 , 6 = х sh g0 , к 2 = а2— Ъ2). |
|
|
||||||||||||||
Кроме |
того, из (7.34) и (7.35) при /с0 |
= |
0 |
находим |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ф х |
= |
— Ье~cos |
|
г], |
|
|
|
|
||||||
|
|
ф 2 |
= |
— ae-£+»» sin и, |
|
ф 3 |
|
= |
— |
х 2 е - 2 ^ - 5») sin 2г|. |
|
(7.38) |
|||||||||
Эти ж е соотношения можно |
получить |
|
непосредственным |
путем, |
7 |
О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Д И Ф Р А К Ц И О Н Н Ы Х Г И Д Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Х С И Л |
69 |
т ак |
к а к пр и /с0 = О частные решения \ \ ^ и л|/„2) у р а в н е н и я Л а п л а с а |
в эллиптической системе координат, исчезающие в бесконечности,
определяются |
в |
форме |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= e~n= sin пц, |
= е~п^ |
cos пц. |
|
(7.39) |
|||
П р и помощи |
частных |
решений (7.39) и |
граничных |
условий |
(7.33) |
|||||
нетрудно |
найти |
функции ц>г, |
ф 2 |
и |
ф 3 |
в виде (7.38). |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
'Л |
|
|
|
1,2 |
Мэ> (У) |
|
|
|
|
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
//tt3S<V> |
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
Д |
|
\в/са(0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
'0,6\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OA |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
\ |
О |
1 |
2 |
|
v*kBx |
|
|
о |
|
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
2.4. |
|
|
|
|
Рис. |
2.5. |
|
|
Отметим, что в точках эллиптического контура |
(g = g„) |
выра |
||||||||
ж е н и я (7.38) принимают особенно простой вид |
|
|
||||||||
|
Ф1 = |
~ 4 - |
*.<P2 = - |
- |
f У, |
Фз = |
£ь-ху |
(7.40) |
||
|
|
|||||||||
|
|
|
(х — a cost), |
г/ = |
6 sin i]). |
|
|
Равенства (7.40) можно также представить в иной форме, введя
коэффициенты \ у |
т т |
(0). |
Имеем |
|
|
|
|
|
Ф1 = — схх, |
ф 2 |
= — с„у, |
ф3 = |
— с3ху |
на С, |
(7.41) |
||
"it (0) |
|
с, = |
Ihl |
(°) |
Со = |
|
|
|
Р 5 |
|
|
P S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•аЪ*, |
(7.42) |
S = nab, |
I = |
Jy |
Тх, |
Jy = -ra*b, |
Jx |
|
где S — площадь эллипса, a Jx и Jy — моменты инерции этой площади относительно осей х и у.