11 Перенос энергии.Вектор умова

Бегущая волна — волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды). С бегущей волной, групповая скорость которой отлична от нуля, связан перенос энергии, импульса или других характеристик процесса^[1].

Бегущая волна - волна, которая при распространении в среде переносит энергию (в отличие от стоячей волны). Примеры: упругая волна в стержне, столбе газа, жидкости, электромагнитная волна вдоль длинной линии, в волноводе^[2].

Бегущая волна — волновое возмущение, изменяющееся во времени  и пространстве  согласно выражению

где  — амплитудная огибающая волны,  — волновое число и  — фаза колебаний. Фазовая скорость  этой волны даётся выражением

где  — это длина волны.

При изучении механических колебаний было установлено, что полная энергия колебаний гармонического осциллятора W = mω²A²/2 , где А — амплитуда колебания, (см. формулу (3.14)). Именно эта энергия переносится волной посредством возбуждения колебаний близлежащих частиц. Более полной характе­ристикой процесса переноса энергии волной является вектор плотности потока энергии волны j , который определяет количество энергии, переносимое волной через единицу площади в одну секунду в направлении ее распространения. Если v – скорость волны, то за время t через площадку S, перпендикулярную направлению распространения, переносится количество энергии:

,                                              

где w — плотность энергии, заключенной в объеме V.

Разделив это выражение на St, получим величину плотности потока энергии:

j = wv.                                                                           (3.58)

Наконец, если ввести вектор , равный по величине фазовой скорости волны и направленный вдоль волнового вектора  (3.55), получим выражение для вектора плотности потока энергии:

.                                                            (3.59)

Следовательно, направление вектора плотности потока энергии совпадает с направлением распространения волны.

Вектор (3.59) называется вектором Умова-Пойнтинга. Он является важной характеристикой переноса энергии волной я сохраняет свое значение и в тех случаях, когда речь идет не только о колебаниях частиц, но и о волновом процессе изменения любых физических величин, например температуры, электрического или магнитного полей.

Необычное перераспределение энергии колебаний происходит при наложении двух волн, бегущих навстречу друг другу, в том случае, когда разность фаз между волнами в процессе распространения волн остается постоянной. Такая ситуация реализуется при отражении бегущей волны от препятствия. При этом возникает отраженная волна, бегущая навстречу первой. Пусть для простоты начальные фазы обеих волн равны нулю. Тогда результирующая волна будет суммой двух волн, бегущих в противоположных направлениях:

u₁ = u₀ cos(ωt – kx),  u₀ = u₀ cos(ωt + kx).                     (3.60)

Сложив эти уравнения и преобразовав результат сложения по формуле для суммы косинусов, получим:

u = u₁ + u₀ = 2u₀cos kxcos ωt.                                      (3.61)

Заметим, что в результате наложения волн характер колебаний существенно изменился. Колебания во всех точках происходят одновременно с одинаковой частотой ω. Иными словами, вся система колеблется как целое, причем передачи энергии в процессе колебаний от одной точки к другой не происходит. Каждая частица колеблется так, как это происходит при обычных колебаниях — в момент времени, когда ее смещение максимально, максимальна ее потенциальная энергия и минимальна кинетическая, и наоборот. В каждый момент времени система частиц образует в пространстве периодическую структуру, форма которой определяется амплитудным множителем в выражении (3.61): A(x) = 2u₀ coskx.

В точках x = ±2n/4 (n = 0, 1, 2,..)                              (3.62)

амплитуда колебаний наибольшая, а в точках

x=±(2n+1)/4                                                     (3.63)

она равна нулю. Эти точки называют соответственно пучностями и узлами волны. Узлы и пучности волны расположены друг от друга на расстоянии /4.

Описанную картину колебаний во встречных бегущих волнах называют стоячей волной. Ясно, что в замкнутом объеме, где бегущая волна испытывает отражение от обеих границ, устанавливается стоячая волна.