Понятие сплошной среды
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА.
Кафедра физики.
Реферат
по дисциплине "Физика"
На тему:
«Понятие сплошной среды. Уравнение движения сплошной среды. Модели сплошной среды – идеальная и вязкая жидкости. Уравнение Навье-Стокса. Силы, действующие в атмосфере. Уравнение движения свободной атмосферы. Геострофический ветер. Градиентный ветер. Циркуляция атмосферы. Образование волновых движений в атмосфере»
Выполнил: студент 2-го курса
группы ИУТ-61
Нечаев М. С.
Проверил:
Баринов Г. И.
Красноярск 2007
Содержание
2. Уравнение движения сплошной среды.. 3
3.1. Уравнение Навье-Стокса. 5
4. Силы, действующие в атмосфере. 5
5. Уравнение движения свободной атмосферы.. 6
9. Образование волновых движений в атмосфере. 12
Список использованной литературы.. 14
Механика сплошной среды, раздел механики, посвященный изучению движения и равновесия газов, жидкостей и деформируемых твёрдых тел. К Механика сплошной среды относятся: гидроаэромеханика, газовая динамика, упругости теория, пластичности теория и др. Основное допущение Механика сплошной среды состоит в том, что вещество можно рассматривать как непрерывную, сплошную среду, пренебрегая его молекулярным (атомным) строением, и одновременно считать непрерывным распределение в среде всех её характеристик (плотности, напряжений, скоростей частиц и др.). Это оправдывается тем, что размеры молекул ничтожно малы по сравнению с размерами частиц, которые рассматриваются при теоретических и экспериментальных исследованиях в Механика сплошной среды Поэтому можно применить в Механика сплошной среды хорошо разработанный для непрерывных функций аппарат высшей математики.
Исходными в Механика сплошной среды при изучении любой среды являются: 1) уравнения движения или равновесия среды, получаемые как следствие основных законов механики, 2) уравнение неразрывности (сплошности) среды, являющееся следствием закона сохранения массы, 3) уравнение энергии. Особенности каждой конкретной среды учитываются т. н. уравнением состояния или реологическим уравнением, устанавливающим для данной среды вид зависимости между напряжениями или скоростями изменения напряжений и деформациями или скоростями деформаций частиц. Характеристики среды могут также зависеть от температуры и др. физико-химических параметров; вид таких зависимостей должен устанавливаться дополнительно. Кроме того, при решении каждой конкретной задачи должны задаваться начальные и граничные условия, вид которых тоже зависит от особенностей среды.
Механика сплошной среды находит огромное число важных приложений в различных областях физики и техники.
2. Уравнение движения сплошной среды
Основное дифференциальное уравнение движения сплошной среды:
, (2.4)
или в проекциях на оси декартовой системы координат:
(2.5)
где – компоненты массовой силы .
Отметим, что уравнения (2.4) и (2.5) получены при следующих предположениях:
– непрерывность и дифференцируемость векторов напряжений 1, 2, 3,
– неразрывность среды,
– непрерывность характеристик движения.
Экспериментальные данные показывают, что большинство сред обладает специфическим свойством: отсутствием или малостью касательных напряжений pSt, т.е. вектор S можно считать перпендикулярным любой площадке взаимодействия dS и равным нормальному напряжению pSn. Среду, обладающую таким свойством называют идеальной жидкостью или идеальным газом. Близки к таковым обычные воздух и вода при малых скоростях.
Указанное свойство для любой площадки с нормалью можно выразить соотношением, вытекающим из (2.1):
,
где –p – общее значение скалярных произведений. Величину p называют давлением. Его особенность заключается в независимости от направления рассматриваемого взаимодействия частиц. При p > 0 среда, как показывает опыт, находится в сжатом состоянии, поэтому и использован знак минус. Таким образом, матрица компонент тензора внутренних напряжений в идеальной жидкости (газе) имеет вид:
, (2.6)
и тензор P целиком определяется скаляром p.
Понятно, что идеальная жидкость не единственно возможная модель сплошной среды, позволяющая определить компоненты тензора внутренних напряжений. Можно, например, рассматривать его компоненты как функции от деформации частицы: в этом случае среда называется упругой. В частном случае линейности это соотношение приобретает вид закона Гука. Изучением таких сред занимается теория упругости.
Особое место в механике сплошной среды занимает модель вязкой жидкости, предполагающая связь тензора внутренних напряжений с частными производными скорости по координатам. Имеется в виду эффект "трения" слоев вязкой жидкости между собой при наличии разности их поступательных скоростей.
В частном случае линейности связь представляется в виде закона Навье-Стокса (или обобщенного закона вязкости Ньютона):
, (2.7)
где – элементы единичной матрицы (с единицами на главной диагонали и нулями на всех остальных местах), матрица размерности 3´3, обозначенная emn, называется тензором скоростей деформации, а тензорный коэффициент линейности Bijmn описывает свойства вязкой жидкости.
Если свойства среды в разных направлениях одинаковы, то она называется изотропной, в противном случае – анизотропной. В изотропной среде Bijmn представляется симметричной матрицей размерности 3´3´3´3, одинаковой в любой системе координат. Можно показать [1], что в этом случае все компоненты тензора Bijmn выражаются всего лишь через два независимых параметра l и m, называемых коэффициентами Ламе, поэтому закон Навье-Стокса для вязкой изотропной жидкости имеет вид:
. (2.8)
4. Силы, действующие в атмосфере.
Силы, действующие в атмосфере делятся на массовые и поверхностные:
Массовые или объемные силы.
К массовым силам относятся те силы, которые действуют на каждый элементарный объем воздуха, и обычно, рассчитываются на единицу массы. К ним относятся:
Сила тяжести представляет собой векторную сумму двух сил: силы земного притяжения, направленной к центру Земли, и центробежной силы, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси и направленная по радиусу круга широты, проходящей через рассматриваемую точку.
Сила Кориолиса (отклоняющая сила вращения земли) связана с вращением Земли вокруг своей оси и действует на движущиеся относительно Земли частицы воздуха (на воздушные течения атмосферы). Сила Кориолиса возникает в результате переносного вращательного движения Земли и одновременного движения частиц воздуха относительно земной поверхности.
или .
где ω – угловая скорость вращения Земли.
Применяя формулы векторного анализа получим составляющие силы Кориолиса по осям координат.
Поверхностные силы. К поверхностным силам относятся те силы, которые действуют на соприкасающиеся поверхности слоя воздуха.
Сила давления (сила барического градиента) возникает за счет неравномерного распределения давления. Вектор силы барического градиента определяется соотношением
,
а его составляющие, отнесенные к единице массы, по осям координат, имеют следующий вид:
, ,
Сила трения возникает при движении воздуха, когда различные его объемы имеют разную скорость движения. Если рассматривать движение воздуха, как движение вязкой жидкости, то при движении двух соседних слоев жидкости с различными скоростями, между ними развиваются касательные силы внутреннего трения (касательное напряжение), или силы вязкости. Составляющие этой силы по осям координат:
, , .
- кинематический коэффициент турбулентной вязкости, а - динамический коэффициент вязкости.
5. Уравнение движения свободной атмосферы
Как известно, плотность вещества в физике вводится предельным переходом: , где в механике сплошной среды следует понимать под Dm массу вещества, заключенную в объеме DW. Посмотрим, как будет выглядеть закон сохранения массы для произвольного подвижного объема сплошной среды, для которого . Из (1.12) тогда следует:
,
или в силу произвольности объема W:
. (1.16)
Это уравнение носит название уравнения неразрывности (непрерывности).
Простейший вид движения воздуха, который можно представить теоретически, — это прямолинейное равномерное движение без трения. Такое движение при отклоняющей силе, отличной от нуля, называют геострофическим ветром.
При геострофическом ветре, кроме движущей силы градиента G = - 1/ρ*dp/dn на воздух действует еще отклоняющая сила вращения Земли A = 2ω*sinφ*V. Поскольку движение предполагается равномерным, обе силы уравновешиваются, т. е. равны по величине и направлены взаимно противоположно. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо. Отсюда следует, что сила градиента, равная ей по величине, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. А так как под прямым углом к градиенту лежит изобара, то это значит, что геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева (рис. 4.21).
Страницы: 1, 2
