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孤立波
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項(xiàng)
孤立波有限振幅波的一種，只有一個(gè)波峰或波谷，而且只出現(xiàn)在淺水水域中。
基本信息
| 中文名 | 孤立波 |
| 外文名 | Solitary Wave |
| 發(fā)現(xiàn)時(shí)間 | 1844年 |
| 理論成立依據(jù) | 孤立波解 |
| 發(fā)現(xiàn)人 | 斯各特·羅素 |
| 數(shù)學(xué)理論 | 淺水波KdV方程 |
| 特點(diǎn) | 只有一個(gè)波峰或波谷 |
| 出現(xiàn)領(lǐng)域 | 只出現(xiàn)在淺水水域中 |
收起
來(lái)源
1834年秋，英國(guó)科學(xué)家、造船工程師羅素在運(yùn)河河道上看到了由兩匹駿馬拉著的一只迅速前進(jìn)的船突然停止時(shí)，被船所推動(dòng)的一大團(tuán)水卻不停止，它積聚在船頭周圍激烈地?cái)_動(dòng)，然后形成一個(gè)滾園、光滑而又輪廓分明的大水包，高度約為0.3～0.5米，長(zhǎng)約10米，以每小時(shí)約13公里的速度沿著河面向前滾動(dòng)。羅素騎馬沿運(yùn)河跟蹤這個(gè)水包時(shí)發(fā)現(xiàn)，它的大小、形狀和速度變化很慢，直到3～4公里后，才在河道上漸漸地消失。羅素馬上意識(shí)到，他所發(fā)現(xiàn)的這個(gè)水包決不是普通的水波。普通水波由水面的振動(dòng)形成，振動(dòng)沿水平面上下進(jìn)行，水波的一半高于水面，另一半低于水面，并且由于能量的衰減會(huì)很快消失。他所看到的這個(gè)水包卻完全在水面上，能量的衰減也非常緩慢(若水無(wú)阻力，則不會(huì)衰減并消失)。并且由于它具有圓潤(rùn)、光滑的波形，所以它也不是激波。羅素將他發(fā)現(xiàn)的這種奇特的 波包稱為孤立波，并在其后半生專門從事孤立波的研究。他用大水槽模擬運(yùn)河，并模擬當(dāng)時(shí)情形給水以適當(dāng)?shù)耐苿?dòng)，再現(xiàn)了他所發(fā)現(xiàn)的孤立波。羅素認(rèn)為孤立波應(yīng)是流體力學(xué)的一個(gè)解，并試圖找到這種解，但沒(méi)有成功。
發(fā)展
羅素十年后向英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)報(bào)告了自己的觀點(diǎn)，但卻沒(méi)能說(shuō)服他的同事們，羅素所發(fā)現(xiàn)的孤立波現(xiàn)象也未能引起人們的注意。
50年以后，即1895年，兩位數(shù)學(xué)家科特維格與得佛里斯從數(shù)學(xué)上導(dǎo)出了有名的淺水波KdV方程，并給出了一個(gè)類似于羅素孤立波的解析解，即孤立波解，孤立波的存在才得到普遍承認(rèn)。
在羅素逝世100周年即1982年，人們?cè)诹_素發(fā)現(xiàn)孤立波的運(yùn)河河邊樹(shù)起了一座羅素像紀(jì)念碑，以紀(jì)念148年前他的這一不尋常的發(fā)現(xiàn)
波動(dòng)描述
當(dāng)水質(zhì)點(diǎn)僅在波浪傳播方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該種波浪稱為移動(dòng)波，孤立波屬于這種類型。純粹孤立波的全部波剖面在靜水面以上，波長(zhǎng)為無(wú)限，如圖3所示。設(shè)波峰沿正x方向傳播，當(dāng)波峰位于水面質(zhì)點(diǎn)t的左側(cè)很遠(yuǎn)距離時(shí)，質(zhì)點(diǎn)Z的運(yùn)動(dòng)可以忽略。隨著波峰的移近，質(zhì)點(diǎn)1開(kāi)始向上并向右移動(dòng)。波峰經(jīng)過(guò)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)正上升至最高位置；當(dāng)波峰移去時(shí)，此質(zhì)點(diǎn)傾斜下降，直至波峰傳至相當(dāng)遠(yuǎn)，此質(zhì)點(diǎn)又恢復(fù)幾乎無(wú)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，而位于水面點(diǎn)1‘的位置。質(zhì)點(diǎn)1的軌跡為一拋物線，由于波峰經(jīng)過(guò)而移動(dòng)了一段水平距離1-1' 。質(zhì)點(diǎn)2的軌跡和質(zhì)點(diǎn)1的相似，其水平移動(dòng)距離和1-1‘也大致相等，但上升的高度較質(zhì)點(diǎn)1小。水底質(zhì)點(diǎn)3則沿底而移至3'。在自然界中，純粹的孤立波是難于形成的。但河道中傳播的洪水波，或當(dāng)波浪傳向近岸淺水區(qū)接近破碎時(shí)的波面形狀和運(yùn)動(dòng)特性與孤立波比較接近。因此在海洋工程中為研究波浪的破碎水深、泥沙運(yùn)動(dòng)以及分析破碎波對(duì)海工結(jié)構(gòu)物的作用等問(wèn)題中，孤立波理論得到了廣泛的應(yīng)用。
孤立波
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