Lista równań w teorii fal
Ten artykuł podsumowuje równania w teorii fal .
Definicje
Ogólne wielkości podstawowe
Fala może być podłużna , gdzie oscylacje są równoległe (lub antyrównoległe) do kierunku propagacji, lub poprzeczna , gdzie oscylacje są prostopadłe do kierunku propagacji. Oscylacje te charakteryzują się okresowo zmieniającym się w czasie przemieszczeniem w kierunku równoległym lub prostopadłym, a zatem chwilowa prędkość i przyspieszenie są również okresowe i zmienne w czasie w tych kierunkach. (pozorny ruch fali spowodowany kolejnymi oscylacjami cząstek lub pól wokół ich pozycji równowagi) rozchodzi się z prędkościami fazowymi i grupowymi równoległymi lub antyrównoległymi do kierunku propagacji, co jest wspólne dla fal podłużnych i poprzecznych. Poniżej oscylacyjne przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie odnoszą się do kinematyki w oscylujących kierunkach fali - poprzecznej lub podłużnej (opis matematyczny jest identyczny), prędkości grupowe i fazowe są odrębne.
Ilość (nazwy zwyczajowe) | (Wspólne) symbole | Jednostki SI | Wymiar |
---|---|---|---|
Liczba cykli falowych | N | bezwymiarowy | bezwymiarowy |
(Oscylacyjne) przemieszczenie | Symbol dowolnej wielkości zmieniającej się okresowo, np. h , x , y (fale mechaniczne), x , s , η (fale podłużne) I , V , E , B , H , D (elektromagnetyzm), u , U (fale świetlne ), ψ , Ψ , Φ (mechanika kwantowa). Większość ogólnych celów używa y , ψ , Ψ . Dla uogólnienia używa się tutaj litery A , którą można zastąpić dowolnym innym symbolem, ponieważ inne mają określone, powszechne zastosowania.
|
M | [L] |
(Oscylacyjna) amplituda przemieszczenia | 0 Dowolny symbol ilości zwykle opatrzony indeksem 0, m lub max albo wielką literą (jeśli przesunięcie było pisane małymi literami). Tutaj dla ogólności stosuje się A i można je zastąpić. | M | [L] |
(Oscylacyjna) amplituda prędkości | 0 V , v , v m . Tutaj używa się v . 0 | ms -1 | [L][T] −1 |
Amplituda przyspieszenia (oscylacyjnego). | 0 A , a , m _ . Tutaj stosuje się a . 0 | ms -2 | [L][T] −2 |
Pozycja przestrzenna Pozycja punktu w przestrzeni, niekoniecznie punktu na profilu fali lub jakiejkolwiek linii propagacji |
d , r | M | [L] |
0 Przemieszczenie profilu fali Wzdłuż kierunku propagacji odległość przebyta (długość drogi) przez jedną falę od punktu źródłowego r do dowolnego punktu w przestrzeni d (dla fal podłużnych lub poprzecznych) |
L , re , r
|
M | [L] |
Kąt fazowy | δ, ε, φ | rad | bezwymiarowy |
Ogólne wielkości pochodne
Ilość (nazwy zwyczajowe) | (Wspólne) symbole | Definiowanie równania | Jednostki SI | Wymiar |
---|---|---|---|---|
Długość fali | λ | Ogólna definicja (uwzględniająca FM ):
|
M | [L] |
Liczba falowa, k -wektor, wektor falowy | k , σ | W użyciu są dwie definicje:
|
m -1 | [L] −1 |
Częstotliwość | f, v | Ogólna definicja (uwzględniająca FM ):
|
Hz = s -1 | [T] −1 |
Częstotliwość kątowa / pulsacja | ω | Hz = s -1 | [T] −1 | |
Prędkość oscylacyjna | v , v t , v | Fale podłużne:
|
ms -1 | [L][T] −1 |
Przyspieszenie oscylacyjne | a , t _ | Fale podłużne:
|
ms -2 | [L][T] −2 |
Różnica długości ścieżek między dwiema falami | L , Δ L , Δ x , Δ r | M | [L] | |
Prędkość fazowa | v str | Ogólna definicja:
|
ms -1 | [L][T] −1 |
(Wzdłużna) prędkość grupowa | v g | ms -1 | [L][T] −1 | |
Opóźnienie czasowe, opóźnienie czasowe/wyprzedzenie | Δ t | S | [T] | |
Różnica w fazach | δ , Δ ε , Δ ϕ | rad | bezwymiarowy | |
Faza | Brak standardowego symbolu |
|
rad | bezwymiarowy |
Relacja między analogami przestrzeni, czasu, kąta używanymi do opisu fazy:
Wskaźniki modulacji
Ilość (nazwy zwyczajowe) | (Wspólne) symbole | Definiowanie równania | Jednostki SI | Wymiar |
---|---|---|---|---|
Indeks AM : |
godz. , godz. AM |
|
bezwymiarowy | bezwymiarowy |
Indeks FM : |
h FM |
|
bezwymiarowy | bezwymiarowy |
Indeks PM : |
godzina popołudniowa |
Δ ϕ = szczytowe odchylenie fazy |
bezwymiarowy | bezwymiarowy |
Akustyka
Ilość (nazwy zwyczajowe) | (Wspólne) symbole | Definiowanie równania | Jednostki SI | Wymiar |
---|---|---|---|---|
Impedancja akustyczna | Z |
v = prędkość dźwięku, ρ = gęstość objętościowa ośrodka |
kg m -2 s- 1 | [M] [L] −2 [T] −1 |
Specyficzna impedancja akustyczna | z |
S = pole powierzchni |
kg·s -1 | [M] [T] −1 |
Poziom głośności | β | bezwymiarowy | bezwymiarowy |
równania
Poniżej n, m są dowolnymi liczbami całkowitymi ( Z = zbiór liczb całkowitych ); }
Stojące fale
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | równania |
---|---|---|
Częstotliwości harmoniczne | f n = n-ta forma drgań, n-ta harmoniczna, (n-1)-ty alikwot |
Rozchodzące się fale
Fale dźwiękowe
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | równania |
---|---|---|
Średnia moc fali | 0 P = moc akustyczna ze względu na źródło | |
Natężenie dźwięku | Ω = kąt bryłowy |
|
Częstotliwość uderzeń akustycznych | f 1 , f 2 = częstotliwości dwóch fal (prawie równe amplitudy) | |
Efekt Dopplera dla fal mechanicznych |
|
górne znaki wskazują na względne podejście, dolne znaki wskazują na względną recesję. |
Kąt stożka Macha (naddźwiękowa fala uderzeniowa, boom dźwiękowy) |
|
|
Amplitudy ciśnienia akustycznego i przemieszczeń |
|
|
Funkcje falowe dla dźwięku | Akustyczne bity
Funkcja przemieszczenia dźwięku grzech |
Fale grawitacyjne
Promieniowanie grawitacyjne dla dwóch orbitujących ciał na granicy niskiej prędkości.
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | równania |
---|---|---|
Promieniowana moc |
|
|
Zanik promienia orbity | ||
Żywotność orbity | 0 r = początkowa odległość między orbitującymi ciałami |
Superpozycja, interferencja i dyfrakcja
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | równania |
---|---|---|
Zasada superpozycji | N = liczba fal | |
Rezonans |
|
|
Faza i interferencja |
|
Konstruktywna ingerencja Niszcząca ingerencja |
Propagacja fali
Powszechne nieporozumienie występuje między prędkością fazową a prędkością grupową (analogicznie do środków masy i grawitacji). Zdarza się, że są równe w mediach niedyspersyjnych. W ośrodkach dyspersyjnych prędkość fazowa niekoniecznie jest taka sama jak prędkość grupowa. Prędkość fazowa zmienia się wraz z częstotliwością.
- fazowa to szybkość , z jaką faza fali rozchodzi się w przestrzeni.
- Prędkość grupowa to szybkość, z jaką rozchodzi się obwiednia fali, tj. zmiany amplitudy. Obwiednia fali to profil amplitud fali; wszystkie przemieszczenia poprzeczne są ograniczone przez profil obwiedni.
Intuicyjnie obwiednia fali jest „globalnym profilem” fali, który „zawiera” zmieniające się „profile lokalne wewnątrz profilu globalnego”. Każdy z nich rozchodzi się z zasadniczo różnymi prędkościami określonymi przez ważną funkcję zwaną relacją dyspersji . Użycie jawnej postaci ω ( k ) jest standardem, ponieważ prędkość fazowa ω / k i prędkość grupowa d ω / d k mają zwykle dogodną reprezentację za pomocą tej funkcji.
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | równania |
---|---|---|
Wyidealizowane media niedyspersyjne |
|
|
Relacja dyspersji | Forma niejawna
} |
|
Modulacja amplitudy , AM |
|
|
Modulacja częstotliwości , FM |
|
Ogólne funkcje falowe
Równania falowe
Sytuacja fizyczna | Nomenklatura | Równanie falowe | Ogólne rozwiązanie/a |
---|---|---|---|
Niedyspersyjne równanie fali w 3d | A = amplituda jako funkcja położenia i czasu | ||
Przebieg tłumiony wykładniczo |
|
||
Równanie Kortewega – de Vriesa | α = stała |
Rozwiązania sinusoidalne równania fali 3D
- N różnych fal sinusoidalnych
Złożona amplituda fali n
Wypadkowa złożona amplituda wszystkich N fal
Moduł amplitudy
Przemieszczenia poprzeczne są po prostu rzeczywistymi częściami złożonych amplitud.
Jednowymiarowe następstwa dla dwóch fal sinusoidalnych
Można wywnioskować, co następuje, stosując zasadę superpozycji do dwóch fal sinusoidalnych, używając tożsamości trygonometrycznych. Przydatne są wzory trygonometryczne dodawania kątów i sumy do iloczynu ; w bardziej zaawansowanych pracach stosuje się liczby zespolone i szeregi Fouriera oraz przekształcenia.
Funkcja falowa | Nomenklatura | Nałożenie | Wynikowy |
---|---|---|---|
Stojąca fala | |||
Bije |
|
||
Koherentna interferencja |
|
Zobacz też
- Definiowanie równania (chemia fizyczna)
- Lista równań w mechanice klasycznej
- Lista równań w mechanice płynów
- Lista równań w grawitacji
- Lista równań w fizyce jądrowej i cząstek elementarnych
- Lista równań w mechanice kwantowej
- Lista równań fotoniki
- Lista równań relatywistycznych
- Jednostki elektromagnetyzmu SI
- Równanie falowe
- Jednokierunkowe równanie falowe
przypisy
Źródła
- premiera Whelana; MJ Hodgeson (1978). Podstawowe zasady fizyki (wyd. 2). Johna Murraya. ISBN 0-7195-3382-1 .
- G. Woan (2010). Cambridge Handbook of Physics Formuły . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-0-521-57507-2 .
- A. Halperna (1988). 3000 rozwiązanych problemów z fizyki, seria Schauma . Mc Graw Hill. ISBN 978-0-07-025734-4 .
- RG Lerner; GL Trigg (2005). Encyklopedia fizyki (wyd. 2). Wydawcy VHC, Hans Warlimont, Springer. s. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4 .
- CB Parkera (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (wyd. 2). Wzgórze McGrawa. ISBN 0-07-051400-3 .
- PA Tipler; G. Mosca (2008). Fizyka dla naukowców i inżynierów: z nowoczesną fizyką (wyd. 6). WH Freeman and Co. ISBN 978-1-4292-0265-7 .
- LN Ręka; JD Finch (2008). Mechanika analityczna . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-0-521-57572-0 .
- TB Arkill; CJ Millara (1974). Mechanika, wibracje i fale . Johna Murraya. ISBN 0-7195-2882-8 .
- Ból HJ (1983). Fizyka wibracji i fal (wyd. 3). John Wiley & Synowie. ISBN 0-471-90182-2 .
- JR Forshaw; AG Smith (2009). Dynamika i teoria względności . Wileya. ISBN 978-0-470-01460-8 .
- GAG Bennet (1974). Elektryczność i współczesna fizyka (wyd. 2). Edwarda Arnolda (Wielka Brytania). ISBN 0-7131-2459-8 .
- Grant IS; WR Phillips; Fizyka Manchesteru (2008). Elektromagnetyzm (wyd. 2). John Wiley & Synowie. ISBN 978-0-471-92712-9 .
- DJ Griffiths (2007). Wprowadzenie do elektrodynamiki (wyd. 3). Pearson Education, Dorling Kindersley. ISBN 978-81-7758-293-2 .
Dalsza lektura
- LH Greenberg (1978). Fizyka z nowoczesnymi zastosowaniami . Holt-Saunders International WB Saunders and Co. ISBN 0-7216-4247-0 .
- JB Marion; WF Hornjak (1984). Zasady fizyki . Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 4-8337-0195-2 .
- A. Beisera (1987). Koncepcje fizyki współczesnej (wyd. 4). McGraw-Hill (międzynarodowy). ISBN 0-07-100144-1 .
- HD Młody; RA Freedman (2008). Fizyka uniwersytecka - z fizyką współczesną (wyd. 12). Addison-Wesley (Pearson International). ISBN 978-0-321-50130-1 .