Физика сплошных сред

2019/2020

Учебный год

RUS

Обучение ведется на русском языке

Кто читает:

Факультет физики

Статус:

Майнор

Когда читается:

3, 4 модуль

Программа дисциплины

Аннотация

Турбулентность. Вероятно, каждый хотя бы раз в жизни летал на самолете и на себе ощутил прелести «зоны турбулентности», которая располагается высоко в атмосфере и характеризуется довольно сильными порывами ветра. Но, даже находясь на земле, на свежем воздухе, вы всегда ощущаете его движение, иногда еле заметное, иногда сильное, но всегда непредсказуемое или, как говорят, хаотическое. Однако в этом хаосе имеется своя система, турбулентные движения подчиняются закономерностям, которые мы обсудим на лекциях и семинарах по физике турбулентности. Жидкие кристаллы. Вы задумывались над тем, какой дисплей у вашего любимого гаджета, LCD или AMOLED? И в чем разница? Об этом, а также об устройстве дисплея, вы сможете узнать из части курса, посвященного жидким кристаллам. Они обладают необычными оптическими и механическими свойствами, что позволило создать на их основе разнообразные приборы, включая и дисплеи. Различные жидкокристаллические «приборы» широко используют живые организмы. Оптика. Мы привыкли пользоваться многими полезными вещами, часто не отдавая себе отчета, как они работают. Очки, бинокли, телескопы давно стали привычными для человека вещами, а оптика, благодаря которым они появились, является одним из самых старых разделов физики. В настоящее время оптика переживает второе рождение. Развитие лазерных технологий и оптоволоконных средств связи в значительной мере изменило нашу повседневную жизнь, мы обсудим физическую основу этих достижений. В то же время «на подходе» новые прорывы, связанные с миниатюризацией оптических приборов и созданием новых материалов с необычными физическими свойствами. Например, совершенно реальна перспектива изучения таких мелких объектов, как вирусы, оптическими методами. Неупорядоченные среды. Орфографический словарь толкует слово «дефект», как «изъян, порча, повреждение, недостаток». Но всегда ли дефекты играют отрицательную роль? Любой кристалл, который кажется идеальным, содержит значительное количество дефектов. А аморфные вещества или керамика в основном «состоят» из дефектов, являясь сильно неупорядоченными веществами. Дефекты значительно влияют на электрические, оптические и другие физические свойства материала. И эти связанные с дефектами эффекты зачастую оказываются полезными в приложениях и научно интересными. В этой части курса вы сможете узнать, например, как использовать фрактальные свойства расположения дефектов.

Цель освоения дисциплины

• формирования навыков обращения студентов с задачами, связанными со статикой и динамикой сплошных сред;
• формирование знаний по основанных понятии непрерывной среды, физические свойства которой описываются в рамках дифференциальных уравнений в частных производных;
• формирование знаний по нелинейным явлениям , которые наиболее ярко проявляются в явлении турбулентности, которая представляет собой хаотическое состояние жидкости, возникающее при больших числах Рейнольдса.

Планируемые результаты обучения

• знать: - основные положения теории физики сплошных сред и их экспериментальное подтверждение;
• уметь: - решать задачи по теме курса, понимать взаимосвязь разных физических явлений;
• владеть: - навыками применения полученных знаний к решению задач.
• уметь: - решать задачи по теме курса, понимать взаимосвязь разных физических явлений
• знать: - основные положения теории физики сплошных сред и их экспериментальное подтверждение
• уметь: - решать задачи по теме курса, понимать взаимосвязь разных физических явлений; владеть: - навыками применения полученных знаний к решению задач

Содержание учебной дисциплины

• Понятие сплошной среды. Уравнение непрерывности. Производные Эйлера и Лагранжа. Уравнение Эйлера. Гидростатика несжимаемой жидкости. Стационарные течения: уравнение Бернулли.
• Обтекание тел: эксперименты, численные результаты, природные явления. Геометрические типы течений несжимаемой жидкости: потенциальные и вихревые течения. Модель обтекания тела потенциальным течением. Понятие присоединённой массы. Сила Магнуса, подъёмная сила.
• Вязкие течения. Уравнение Навье-Стокса. Число Рейнольдса. Закон подобия. Ламинарные течения. Обтекание тел при малых числах Рейнольдса. Принцип движения малых организмов в жидкости.
• Поверхностные гравитационные волны. Закон дисперсии для глубокой воды. Распространение волновых пакетов: понятия фазовой и групповой скоростей. Волны на воде конечной глубины. Волновой след за движущимся кораблём.
• Неустойчивости в течениях: неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Случайные течения при слабом превышении порога неустойчивости. Трёх-мерное турбулентное течение: понятие о каскаде энергии и степенных корреляционных функциях. Турбулентный след и ламинарный след. Демонстрация природных явлений, в основе которых лежат обсуждаемые физические феномены.
• Сжимаемая жидкость. Распространение линейных звуковых волн. Затухание звуковых волн за счёт вязкости и теплопроводности. Колебания натянутой струны. Принцип работы духовых и струнных музыкальных инструментов. Человеческий голос: принцип из-влечения гласных звуков – пение в тон и форманты. Типы микрофонов. Работа узи-аппарата.
• Приближение эйконала для распространения волн. Распространение линейных звуковых волн в неоднородной среде: распространение звука “против ветра” над поверхностью земли, в атмосферах с отрицательным и положительным вертикальным градиентом температуры. Распространение звука в мировом океане. Феномен шепчущей галереи. Затухание звука в звуковой трубе из-за трения о стенки за счёт вязкости. Работа фонендоско-па.
• Одномерное течение сжимаемого газа. Нелинейные звуковые волны. Волна Римана. Ударные волны. Слабо-нелинейные волны: закон ослабления звуковой волны вследствие нелинейных процессов. Ширина фронта. Уравнение Бюргерса. Число Маха. Сильный взрыв.
• Течение газа по трубе переменного сечения. Энжекторные насосы. Сопла. Сопло Лаваля, преодоление звукового порога. Оптимизация работы сопла.
• Упругие свойства твёрдого изотропного тела. Основные уравнения теории упругости. Тензор деформаций. Тензор упругих напряжений. Термодинамика деформаций. Продольные де-формации. Кручение. Изгиб. Дислокации. Волны в твёрдых телах. Поверхностные вол-ны. Внутреннее строение Земли. Землетрясения.
• Сведения о свойствах и движении литосферных плит.
  Механизмы, проводящие к землетрясениям. Внутреннее строение Земли. Измерение параметров землетрясений. Демонстрация моделирования процесса приёма сигнала от землетрясения. Статистика землетрясений. Закон Гутенберга-Рихтера. Качественно-размерное объяснение закона Гутенберга-Рихтера. Оценка скорости движения литосферных плит через определение движения мантии. Внешнее ядро Земли. Магнитное поле Земли и его роль в защите Земли от солнечного ветра. Магнитосфера Земли. Магнитное динамо. Динамика магнитного момента Земли. Течения во внешнем ядре Земли. Двумеризация трёх-мерного течения вследствие враще-ния Земли. Двумерная турбулентность. Сравнение двумерного и трёх-мерного турбулентного течения. След Кармана за обтекаемым препятствием двумерным потоком, демонстрация природных явлений. Формирование когерентных вихрей в двумерном турбулентном потоке.
• Реликтовое излучение
  Анизотропия реликтового излучения. Характерный масштаб во Вселенной. Релятивистская гидродинамика. Скорость звука в ультра релятивистском газе. Барионные акустические осцилляции.

Элементы контроля

• Контрольная работа
  Итоговая оценка (ИО) по курсу складывается накопительным образом из оценок за работу в ходе семестра (ОС) и оценку за итоговый экзамен (ОЭ) и равна ИО=0.5 ОС+0.5 ОЭ. Итоговая оценка округляется по правилам арифметики (больше 0.5 балла — в большую строну, меньше 0.5 балла — в меньшую сторону). Оценка за работу в семестре равна ОС= 0.5 Кр1 + 0.5 Кр2, где Кр1 – оценка за первую контрольную работу, Кр2 – оценка за вторую контрольную работу. Оценка за работу в семестре округляется в пользу студентов (в большую сторону). Экзаменационная контрольная (в виде теста) пишется в обязательном порядке - взято со Статистическая физика
• Экзамен
• Коллоквиум

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (4 модуль)
  0.5 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Guyon, E., Hulin, J. P., Petit, L., & Mitescu, C. D. (2015). Physical Hydrodynamics (Vol. Second edition Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin, Luc Petit, and Catalin D. Mitescu). Oxford: OUP Oxford. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1201010
• Механика сплошной среды. Т. 1: ., Седов, Л. И., 2004
• Механика сплошной среды. Т. 2: ., Седов, Л. И., 2004
• Теоретическая физика. Т.6: Гидродинамика, , 2006

Рекомендуемая дополнительная литература

• Chanson, H. (2014). Applied Hydrodynamics : An Introduction. Boca Raton: CRC Press. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1763265
• Гидравлика и гидропневмопривод. Основы механики жидкости и газа: Учебник / Шейпак А.А., - 6-е изд. - М.:НИЦ ИНФРА-М, 2017. - 272 с.: 60x90 1/16. - (Высшее образование: Бакалавриат) (Переплёт 7БЦ) ISBN 978-5-16-011848-2 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/544277
• Лыткина, Л., Острикова, Е., Клейменов, А., & Носкова, В. (2012). Гидродинамика процесса сушки гречихи перегретым паром. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.5CACABA6