Физика сплошных сред

Бакалавриат 2023/2024

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Факультет физики

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 4-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Александров Николай Леонидович, Пономарев Александр Александрович

Язык: русский

Кредиты: 3

Контактные часы: 80

Полная версия программы учебной 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

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

Элементы контроля

Контрольная работа
Устный экзамен
Экзамен проводится в устной форме в конце 2 модуля. Каждый экзаменационный билет включает 1 теоретический вопрос и 1 задачу. При ответе также будут задаваться короткие вопросы по всему курсу.
Домашние задания

Промежуточная аттестация

2023/2024 учебный год 2 модуль
0.05 * Домашние задания + 0.05 * Домашние задания + 0.2 * Контрольная работа + 0.2 * Контрольная работа + 0.5 * Устный экзамен

Список литературы

Авторы

Панкратова Елена Игоревна
Пономарев Александр Александрович

Программа дисциплины