14. Солитоны
Солитон уединенная волна, не изменяющая своей скорости и формы при перемещении в нелинейной среде с дисперсией.
Солитоны имеют большое значение в нелинейных волновых процессах, такое же, как и линейный гармонический осциллятор в классической физике. Разновидностью солитонов (уединенных волн) являются цунами океанские волны с большим фронтом, образующиеся в результате сильнейших подводных землетрясений.
Их скорость распространения колеблется от 100 до 1000 км/ч, а высота волнового гребня от 1 до 10 м. В прибрежных зонах она достигает до 50 м и выше, что естественно вызывает катастрофические последствия, особенно в прибрежных областях Тихого океана.
Солитоны относится к классу бегущих волн, описываемых волновым уравнением. При встречном движении двух солитонов они не искажают друг друга и не изменяют своих параметров.
Устойчивое волновое образование при взаимодействии солитонов может вызвать сдвиг фаз. Возникновение солитонов возможно только при наличии дисперсии и нелинейности и в системах, где диссипация энергии отсутствует (рис. 16).
Исследования солитонов на воде привели к интересным выводам. Скорость их движения тем выше, чем больше глубина моря (океана). Для слоя воды около 10 м скорость уединенной волны достигает 35 км/ч. Поэтому уединенные волны образуются на малой глубине при реальных скоростях современных морских судов.
Рис.
16
Профиль уединенной волны является сложной зависимостью от условий ее возбуждения и свойств среды, в которой она распростроняется.
Нелинейные эффекты, связанные с образованием солитонов, нашли широкое практическое применение: генераторы и усилители электромагнитных сигналов, умножители модуляторов и т. д.
Нелинейные эффекты возникают при полетах самолетов, ракет и космических кораблей, а также при движении морских судов и т. п.
Типичным примером солитонов в твердых телах служат электрические домены (эффект Гана, 1963 г.), солитоны в слабосвязанных сверхпроводниках (эффекты Джозефсона, 1962 г.) и т. д.