Курсовая работа: Введение в физику скачков

(13)

Рассматривая случай, приведенный в [2]: L1 = L2 = L3 = 150 мм — и принимая величины: c = 2 ´ 104 кГ/м2 [4], r = 1,7 ´ 103 кГ/м3 , — можно найти угол » 9о, близкий по величине к определенному в [2] экспериментально = 12о.

На рис. 2 приведены результаты эксперимента для двух видов предварительного уплотнения мокрого песка. Начальные точки теоретических кривых были взяты из эксперимента для определения отношения r /c . Нетрудно отметить согласие между экспериментом и теорией.

Таким образом, мы можем сделать следующий вывод об устойчивости песчаной среды. Устойчивость песчаной среды в рассматриваемом образце к сдвигу в диапазоне 0 < Г < Г* означает способность образца сохранять в этом диапазоне состояние единства и целостности образующей его среды — основное состояние образца на первой фазе его эволюции.

Рис. 2.

Эта способность сохраняется при условии (12), что характеризующая возмущение образца упругая энергия W* не превышает гравитационной энергий Wо1, характеризующей его основное состояние. Нарушение энергетического порогового соотношения (12) приводит к смене основного состояния образца и, как следствие, к качественно новому поведению песчаной среды.

Весьма актуальной представляется попытка [3] распространить проведенное исследование на объяснение природы землетрясений, в частности, наиболее опасных, очаг которых находится в пределах земной коры. Соответствующие линейные размеры Li (i = ) могли бы характеризовать в этом случае земной блок в иерархии дискретных масштабов [4]. С благодарностью вспоминаю академика М. А. Садовского, обратившего мое внимание на эту задачу в связи с проблемой землетрясения и нашедшего в себе силы обсуждать ее решение перед своим уходом из этой жизни.

2.3. Превращения в потоке частиц: турбулентность.

Известно, что поток частиц может принимать качественно различающиеся состояния, начиная от малоподвижного (потенциального) и кончая потоком с крупномасштабной турбулентностью (хаотичностью движения частиц). Эти превращения характеризуются так называемыми критическими числами Рейнольдса:

Rej = u jr r/h = nj , j = 1,2,3,... ,

где u j, r , r, h — скорость, плотность, линейный размер и динамическая вязкость (динамическое трение) соответственно; nj — некоторое число. Числа Rеj (как и числа Фруда) — известные коэффициенты подобия — входят в состав соответствующих математических моделей в качестве безразмерных параметров управления [4]. Природа этих чисел и, следовательно, природа превращений в потоке частиц была неизвестна до настоящего времени. Покажем, что превращения в потоке частиц есть конкретное проявление закона сохранения и превращения энергии определенного вида. Для этого выделим первые критические числа j = , отыскивая соответствующие энергетические пороговые соотношения (3). Мы будем использовать известные законы динамического трения в строгом соответствии с определенными участками шкалы возрастающих чисел Re.

Переход от потенциального потока к сплошному Re1. Потенциальный поток, или “сухая вода” [5], — среда относительно неподвижных и независимых частиц, точнее частиц, совершающих колебания относительно некоторых центральных положений. В качестве основного состояния частицы рассматриваем состояние ее единства с локальной областью среды. Энергию Wо1 , характерную для такого состояния, определяем с использованием закона Стокса

F = 6p h ru

как абсолютную величину работы, затраченной на образование частицы в локальной области среды:

.

Собственную энергию возмущения частицы записываем как ее кинетическую энергию, определяя скорость u для ее свободного состояния:

.

В результате мы можем записать соотношение между энергиями W* и Wo1 в виде

Re = u r r/h 4,5 , u 1 = 4,5 h /(r r) , Re1 = 4,5.

Здесь параметры m, r , r, h , u относятся к частице, в частности r — ее радиус. В случае Re > Re1 частица теряет “жесткую” связь со средой; ее кинетическая энергия позволяет преодолеть предел текучести, характеризуемый энергией Wo1; поток переходит из состояния потенциального в состояние сплошного, напоминающего мед [5]. На этой фазе начинается подготовка к расслоению потока, а сама фаза есть катастрофа предыдущей.

Переход от сплошного потока к ламинарному Re2 . В качестве объекта рассматриваем некоторый слой потока с площадью соприкосновения A и линейным поперечным размером r. Основное состояние слоя — состояние его единства со сплошным потоком. Энергию такого состояния определяем как абсолютную величину работы, затраченной на образование слоя в поле квазиупругой силы [5]:

F = Ah u /r

и принимаем равной:

Началом отсчета для возникающего возмущения на этой фазе является скорость u 1 из-за катастрофы предыдущей связи. Поэтому собственная энергия возмущения слоя записывается в виде

Предельную скорость u 2 отыскиваем из равенства W*(u — u 1) = = Wo2 . В результате получаем:

u 2 = 7,18 h /r r ,Re2 = 7,18.

В момент, определяемый Re = Re2 , одновременно существуют целостный поток и независимый слой как часть этого потока. Для Re > Re2 начинается расслоение потока в виде скачкообразного выделения слоев с различающейся скоростью; возникает ротор скорости, определяющий в дальнейшем появление мелкомасштабных вихрей. Возникшая фаза есть катастрофа предыдущей.