Типы волновых энергетических установок.

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок – поплавок – находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, или они преобразуются во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% вырабатывать до 4 млн. кВт∙час в год . Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет усовершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавку подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка (рис. 2), исследованная в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1,5 м.

Рис. 2 Резонансный поплавок

Установка, получившая название “осциллирующий (колеблющийся) водяной столб”, представляет собой камеру, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень воды (впадины волны). При поднятии и опускании уровня в камере происходят циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину, расположенную в отверстии на верху камеры. Характеристика эффективности осциллирующего водного столба представлена на рис. 3.

Рис. 3. КПД осциллирующего водного столба
H и λ - соответственно, высота и длина волны.

Наиболее известная установка этого типа, получившая название “буй Масуды” была предложена И. Масудой (Япония в 1961 г. Волновая энергетическая установка, состоящая из нескольких соединенных между собой “осциллирующих водных столбов” была выполнена в виде судна, получившего название “Каймей”, водоизмещением 500 т. Энергетическое оборудование установки составляет 3 воздушные турбины с рабочими колесами диаметром 1,4 м и генераторами переменного тока мощностью по 125 кВт. Во время испытаний максимальная мощность наблюдалась при равенстве длины волны и установки (судна).

Примером практической реализации этой технологии может служить многомиллионный проект Wave Hub финансируется на средства правительства Великобритании, европейских фондов и промышленных компаний. Разместится эта станция в море, у побережья Корнуолла, примерно в 16 километрах от города Хэйли (Hayle). Несмотря на статус «демонстрационной», станция будет поставлять в сеть до 20 мегаватт, что эквивалентно потребности нескольких тысяч домохозяйств, причём в дальнейшем мощность планируют нарастить.

План предусматривает необычную схему развития. Власти Юго-Запада Англии передадут в аренду компаниям «персональные» кусочки моря размером 1 х 2 километра. Там промышленники установят комплексы волновых генераторов различных схем, и все они при помощи кабелей будут соединены с берегом.

Wave Hub опирается на волновые генераторы PowerBuoy от американской компании Ocean Power Technologies (OPT), обладающей отделением в Британии. PowerBuoy работает за счёт вертикального перемещения крупного (в несколько метров) поплавка, скользящего вдоль колонны, заякоренной на дне. В районе расположения Wave Hub глубина моря составляет 50 метров. Близ Хэйли OPT должна развернуть парк таких генераторов мощностью по 150 киловатт каждый.

Wave Hub начало выработку энергии для потребителей в 2011 г. При этом номинально тестовый проект запланирован на пять лет, но предусматривает продление работы и, главное, расширение сети генераторов до общей мощности в 50 мегаватт. Британия намерена стать мировым лидером в использовании энергии моря.

Поплавки, находящиеся на поверхности моря, могут совершать не только вертикальные колебания, но и угловые перемещения в соответствии с профилем волны. Рабочее тело таких установок состоит из двух или многих поплавков, соединенных между собой шарнирами в виде поршневых насосов или гофрированных “мехов”. Установки используют изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (путем изменения углового положения между поплавками) для привода в действие насосов или “мехов”. Наиболее известной установкой этого типа является “контурный (шарнирный) плот Кокерелля (рис. 4), предложенный в 1972 г. Характеристика эффективности плота представлена на рис. 5.

Рис. 4. Контурный (шарнирный) плот Кокерелля

Рис. 5. Эффективность двузвенного контура плота
при жесткой стабилизации заднего звена.

Модель также в 1/10 величины испытывалась в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль. Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера (которая будет рассмотрена ниже), но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.

Эффективность поплавковых установок возрастает, если применить эксцентрические поплавки, которые не только раскачиваются на волнах, но и воспринимают давление набегающей волны. Широко известной установкой этого типа является “утка” Солтера. Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис. 6.).

Рис. 6. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б – вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 – асимметричный поплавок.

Поплавок имеет форму цилиндрического асимметричного поплавка, сидящего на горизонтальной оси, с тыловой частью в форме кругового цилиндра. Ось располагается вдоль фронта волны. Под воздействием волн на выступ эксцентрика он совершает угловые колебания вокруг оси. Горизонтальная ось должна быть стабилизирована от линейных и вращательных перемещений. С этой целью Солтер предложил использовать фронтальную фазовую стабилизацию – делать ось достаточно длинной и размещать на ней несколько кулачков, с тем, чтобы гребни волн, подходящие в разных фазах, взаимно компенсировали усилия на ось. Эффективность данного устройства исследовалась многими авторами, которые подтвердили результаты, полученные С. Солтером (рис. 7). Было показано также, что система, состоящая из трех-четырех тел, способна поглотить почти всю энергию случайной волны в широком диапазоне частот. Даже ограничение системы двумя телами сохраняет способность отбора более 95% энергии случайной волны в широком спектре частот. При этом эффективность каждого из тел максимальна в своем диапазоне частот (рис.8.).

Рис. 7. КПД “утки” Солтера с одной степенью свободы

Рис. 8. Эффективность системы из двух “уток” Солтера.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель в 1/10 будущей величины океанского преобразователя была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 мес. одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 %. Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что характерный размер реальной утки будет равен примерно 0,1? , что для 100-метровых атлантических волн соответствует 10 м. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт. Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

Необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

Необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

Вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;

Затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности «утки».

Хотя устройство работает достаточно эффективно, проект был практически закрыт в середине 80-х из-за того, что в отчете ЕС цена выработанной электроэнергии с помощью такой технологии была ошибочно оценена в 10 раз выше реальной. Сейчас допущенная ошибка обнаружена, и интерес к устройству Салтера снова возрастает.

Грейферный ковш (рис.9.) - другое устройство, которое, подобно "Утке", может генерировать энергию, "используя" колебания морской воды. Грейферный ковш - устройство с шестью воздушными подушками, установленными вокруг полого круглого столба. При ударе волн о конструкцию, воздух "выдавливается" между шестью подушками через полый столб, который оборудован самонастраивающимися турбинами. Даже при учете затрат на кабель, соединяющий устройство с берегом, подсчитано, что грейферный ковш может вырабатывать электроэнергию по цене около 0,06 доллара США за 1 кВт·ч.

В июле 1998 года Центр морской науки и технологии Японии начал работу по проекту самой большой в мире морской силовой установки, полноразмерный прототип которой был протестирован в 2000 году. Это плавучее устройство получило название "Могучий Кит" (рис.10.). Установка длиной 50 м и шириной 30 м использует волны Тихого океана для привода трёх воздушных турбин (одна номинальной мощностью 50 кВт + 10 кВт и две по 30 кВт), установленных на бортовой платформе.

После того, как прототип установки был отбуксирован к месту швартовки приблизительно в 1,5 км от выхода из залива Гокашо, он был поставлен на якорь (приблизительно на 40-метровой глубине) шестью тросами; четыре троса по направлению к морю и два - на подветренной стороне. По своей прочности тросы рассчитаны на тайфун, а сама установка может выдерживать 8-метровые волны. "Могучий Кит" преобразует энергию волны в электроэнергию, используя колеблющиеся водяные столбы для привода воздушных турбин. Волны, попадающие внутрь и вытекающие из воздушных камер, расположенных у входного отверстия, заставляют уровень воды в камерах повышаться и понижаться. Под воздействием воды воздух входит или выходит из камер сквозь сопла в верхней части. В результате высокоскоростные потоки воздуха вращают воздушные турбины, которые приводят в действие генераторы. "Могучим Китом" можно управлять дистанционно с берега. В демонстрационном проекте выработанная электроэнергия

главным образом используется для питания бортовых приборов; любой ее избыток аккумулируется на батареях. Предохранительный клапан защищает воздушные турбины от разрушения при штормовой погоде, перекрывая поток воздуха, если скорость вращения турбин превышает определённый уровень. "Могучий Кит" непосредственно может быть использован как метеостанция, как временное место швартовки для малых судов или как платформа для ловли рыбы.

Оригинальным проектом, использующим энергию глубинных волн, является проект Европейского исследовательского центра морской энергии (European Marine Energy Centre). Автор - эдинбургская компания Aquamarine Power.

Волновой электрогенератор под названием «Устрица» (Oyster) - самый крупный агрегат такого рода в мире, он сравним в высоту с многоэтажным домом. В 2009 г. аппарат был водружён на морское дно и включён в потребительскую электросеть - он питает энергией несколько сот домов.

Oyster (рис.11 – 13), представляет собой оригинальную волновую электростанцию. Её размещают у береговой линии, в пределах сотни метров от кромки пляжа и на умеренных глубинах в считанные метры, или десятки метров. Огромные поплавки, закреплённые на дне на мощных рычагах, должны раскачиваться под действие пробегающих над ними волн.

Вся электрическая часть остаётся на берегу – так она дольше проработает, да и обслуживать и ремонтировать её будет несравненно проще. На дне останется только суперпоплавок и приводимый им в движение двухсторонний поршневой насос. Последний гонит морскую воду на берег, где она крутит ротор гидроэлектрогенератора. Один экземпляр такой машины вырабатывает от 300 до 600 киловатт в зависимости от места установки и ряда других деталей. Несколько поплавков с насосами могут сообща работать на одну большую береговую гидротурбину, что сократит стоимость комплекса.

Рис.13. Схема «устричной» станции.

Волны окружают нас везде, так как мы живем в мире движений и звуков. Какова природа волнового процесса, в чем суть теории волновых процессов? Рассмотрим это на примере опытов.

Понятие о волнах в физике

Общим понятием для многих процессов является наличие звучания. По определению звука, он является результатом быстрых колебательных движений, которые создаются воздухом или другой средой, воспринимающимися нашими слуховыми органами. Зная это определение, можно перейти к рассмотрению понятия «волновой процесс». Существует ряд опытов, которые позволяют наглядно рассмотреть это явление.

Изучаемые волновые процессы в физике, могут наблюдаться в виде радиоволн, звуковых, волн сжатия при использовании голосовых связок. Они распространяются по воздуху.

Для визуального определения понятия в лужу бросают камень и характеризуют распространение эффектов. Это пример Она возникает вследствие поднятия и опускания жидкости.

Акустика

Изучению свойства звука в физике посвящен целый раздел, который называется «Акустика». Разберемся, что же он характеризует. Сосредоточим внимание на явлениях и процессах, в которых еще не все ясно, на проблемах, которые ещё только ждут своего решения.

У акустики, как и у других разделов физики, ещё много неразгаданных тайн. Их ещё предстоит открыть. Займемся рассмотрением волнового процесса в акустике.

Звук

Это понятие связано с наличием которые производятся частицами среды. Звук - это ряд колебательных процессов, связанный с возникновением волн. В процессе образования в среде сжатий и разряжений и возникает волновой процесс.

Показатели длины волн зависят от характера среды, где имеют место колебательные процессы. Практически все явления, которые происходят в природе, связаны с наличием звуковых колебаний и звуковых волн, которые распространяются в среде.

Примеры определения волнового процесса в природе

Эти движения могут информировать о явлении волнового процесса. Высокочастотные звуковые волны могут распространяться на тысячи километров, например, если происходит извержение вулкана.

При землетрясении идут сильные акустические и геоакустические колебания, которые можно зарегистрировать специальными звуковыми приёмниками.

При подводном землетрясении имеет место интересное и страшное явление - цунами, которое представляет собой огромную волну, возникшую при мощном подземном или подводном проявлениях стихии.

Благодаря акустике можно получить информацию о том, что приближается цунами. Многие из таких явлений известны издавна. Но до сих пор некоторые понятия физики требуют тщательного изучения. Поэтому для исследования загадок, которые ещё не раскрыты, приходят на помощь именно звуковые волны.

Теория тектоники

В XVIII веке родилась «гипотеза катастроф». В то время не были связаны понятия «стихия» и «закономерность». Тогда обнаружили, что возраст дна мирового океана намного младше, чем суша, и эта поверхность постоянно обновляется.

Именно в это время, благодаря новому взгляду на землю, безумная гипотеза переросла в теорию «Тектоники литосферных плит», которая утверждает, что земная мантия движется, а твердь - плывет. Такой процесс подобен движению вечного ледохода.

Для понимания описанного процесса важно освободиться от стереотипов и привычных взглядов, осознать другие виды бытия.

Дальнейшие достижения науки

Геологическая жизнь на земле имеет свое время и состояние материи. Науке удалось воссоздать подобие. На дне океана происходит непрерывное движение, при котором возникают разрывы и образования рифтовых хребтов, когда новое вещество из глубин земли поднимается на поверхность и постепенно остывает.

В это время на суше происходят процессы, когда на поверхности земной мантии плавают колоссальные плиты литосферы - верхней каменной оболочки земли, которая несет на себе материки и морское дно.

Число таких плит насчитывает около десяти. Мантия неспокойна, поэтому литосферные плиты начинают двигаться. В лабораторных условиях этот процесс имеет вид изящного опыта.

В природе это грозит геологической катастрофой - землетрясением. Причиной являются глобальные процессы конвекции, которые происходят в глубинах земли. Результатом бурления будут цунами.

Япония

Среди других сейсмически опасных районов земли Япония занимает особенной место, эту цепь островов называют «огненным поясом».

Пристально следя за дыханием земной тверди, можно предсказать грозящую катастрофу. Для изучения колебательных процессов в толщу земли внедрили сверхглубокую буровую. Она проникла на глубину 12 км и позволила ученым сделать выводы о наличии внутри земли определенных пород.

Скорость электромагнитной волны изучают на уроках физики в 9 классе. Показывают опыт с грузиками, расположенными на равном расстоянии друг от друга. Они связаны одинаковыми пружинками обычного вида.

Если сместить первый грузик вправо на определенное расстояние, второй некоторое время остается в прежнем положении, но пружинка уже начинает сжиматься.

Определение понятия «волна»

Поскольку произошёл такой процесс, возникла сила упругости, которая будет толкать второй грузик. Он получит ускорение, через некоторое время наберет скорость, сместится в этом направлении и сожмет пружинку между вторым и третьим грузиком. В свою очередь, третий получит ускорение, начнет разгоняться, сместится и повлияет на четвертую пружинку. И так процесс будет происходить на всех элементах системы.

При этом смещение второго груза по времени будет происходить позже, чем первого. Следствие всегда запаздывает по отношению к причине.

Также смещение второго груза повлечет за собой смещение третьего. Данный процесс имеет тенденцию распространяться вправо.

Если первый груз начал колебаться по гармоническому закону, тогда этот процесс распространится и на второй грузик, но с запоздалой реакцией. Следовательно, если заставить колебаться первый груз, можно получить колебание, которое распространится в пространстве с течением времени. Это и есть определение волны.

Разновидности волн

Представим вещество, которое состоит из атомов, они:

обладают массой - как предложенные в опыте грузики;
соединяются друг с другом, образуя твердое тело путем химических связей (как рассмотренные в опыте с пружинкой).

Отсюда следует, что вещество является системой, напоминающей модель из опыта. В нем может распространяться Этот процесс связан с возникновением сил упругости. Такие волны часто называют «упругими».

Существует два типа упругих волн. Для их определения можно взять длинную пружину, закрепить её с одной стороны и растянуть вправо. Так можно увидеть, что направление распространения волны - вдоль пружины. Частицы среды смещаются в том же самом направлении.

В такой волне характер направления колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. Данное понятие называется «продольная волна».

Если растянуть пружинку и дать ей время прийти в состояние покоя, а потом резко изменить положение в вертикальном направлении, будет видно, что волна распространяется вдоль пружины и многократно отражается.

Но направление колебания частиц теперь вертикальное, а распространение волны - горизонтальное. Это поперечная волна. Она может существовать только в твердых телах.

Скорость электромагнитной волны разного вида отличается. Этим свойством успешно пользуются сейсмологи, чтобы определить расстояние до очагов землетрясения.

Когда распространяется волна, отмечается колебание частиц вдоль или поперек, но это не сопровождается переносом вещества, а только движением. Так указано в учебнике "Физики" 9 класс.

Характеристика волнового уравнения

Волновое уравнение в физической науке - разновидность линейного гиперболического дифференциального уравнения. Оно используются также для других областей, которые охватывает теоретическая одно из уравнений, которые применяет для расчетов математическая физика. В частности, описываются гравитационные волны. Применяются для описания процессов:

в акустике, как правило, линейного типа;
в электродинамике.

Волновые процессы отображаются в вычислении для многомерного случая однородного волнового уравнения.

Отличие между волной и колебанием

Замечательные открытия следуют из размышлений над заурядным явлением. Галилей за эталон времени брал биение своего сердца. Так было открыто постоянство процесса колебаний маятника - одно из основных положений механики. Оно абсолютно лишь для математического маятника - идеальной колебательной системы, которая характеризуется:

Для выведения системы из равновесия необходимо условие возникновения колебания. При этом сообщается определенная энергия. Разным колебательным системам требуются различные виды энергии.

Колебанием называется процесс, который характеризуется постоянным повторением движений или состояний системы в определенные периоды времени. Наглядной демонстрацией колебательного процесса является пример качающегося маятника.

Колебательные и волновые процессы наблюдаются почти во всех природных явлениях.

Волна имеет функцию возмущать или изменять состояния среды, распространяемое в пространстве и несущее энергию без необходимости переносить вещество. Это отличительное свойство волновых процессов, они в физике изучаются давно. При исследованиях можно выделить длину волны.

Звуковые волны могут существовать во всех сферах, их нет только в вакууме. Особыми свойствами обладают электромагнитные волны. Они могут существовать везде, даже в вакууме.

Энергия волны зависит от её амплитуды. Круговая волна, распространяясь от источника, рассеивает энергию в пространстве, поэтому её амплитуда быстро уменьшается.

Интересными свойствами обладает линейная волна. Её энергия не рассеивается в пространстве, поэтому амплитуда таких волн убывает только за счет силы трения.

Направление распространения волн изображается лучами - линиями, которые перпендикулярны к фронту волны.

Угол между падающим лучом и нормалью - это Между нормалью и отраженным лучом - угол отражения. Равенство этих углов сохраняется при любом положении преграды относительно волнового фронта.

При встрече волн, движущихся в противоположных направлениях, может образовываться стоячая волна.

Итоги

Частицы среды между соседними узлами стоячей волны колеблются в одинаковой фазе. Таковы параметры волнового процесса, зафиксированные в волновых уравнениях. При встрече волн могут наблюдаться как увеличения, так и уменьшения их амплитуд.

Зная основные характеристики волнового процесса, можно определить амплитуду результирующей волны в данной точке. Установим, в какой фазе придет в эту точку волна от первого и второго источника. Причем фазы противоположны.

Если разность хода - нечетное число полуволн, амплитуда результирующей волны в этой точке будет минимальная. Если разность хода равна нулю или целому числу длины волн, в точке встречи будет наблюдаться увеличение амплитуды результирующей волны. Это при сложении волн от двух источников.

Частота электромагнитных волн фиксируется в современной технике. Приёмное устройство должно регистрировать слабые электромагнитные волны. Если поставить отражатель, в приёмник попадет больше энергии волн. Систему отражателей устанавливают так, чтобы она создавала максимальный сигнал на приёмном устройстве.

Характеристики волнового процесса лежат в основе современных представлений о природе света и строении материи. Таким образом, при изучении их по учебнику физики 9 класса можно успешно научиться решать задачи из области механики.

Преобразователи энергии волн

Преобразователи, отслеживающие профиль волны

В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя "утка Солтера". Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис.9).

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний (рис.10).

Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что характерный размер реальной утки будет равен примерно 0,1л, что для 100-метровых атлантических волн соответствует 10 м. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.

Наиболее серьезными недостатками для "уток Солтера" оказались следующие:

Необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

Необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

Затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности "утки".

Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом - контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же, что и "утка Солтера", году в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот - многозвенная система из шарнирно соединенных секций (рис.11). Как и "утка", он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.

Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1 / 100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у "утки" Солтера (но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.

Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба

При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэлса. Уже известны по крайней мере два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой (рис. 12) и в Великобритании сотрудниками Королевского университета Белфаста. Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaernor Brug A/S. Основной принцип действия колеблющегося столба показан на рис.13. В Тофтестоллене он используется в 500-киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне. Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

Подводные устройства

Преимущества подводных устройств состоят в том, что эти устройства позволяют избежать штормового воздействия на преобразователи. Однако при их использовании увеличиваются трудности, связанные с извлечением энергии и обслуживанием.

Для примера можно рассмотреть преобразователь типа "бристольский цилиндр", относящийся к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. Наполненный воздухом плавучий корпус (цилиндр), имеющий среднюю плотность 0,6-0,8 т/м 3 , закреплен под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы, вмонтированные в опоры и преобразующие энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость может подаваться по трубопроводам на генераторную станцию, единую для нескольких цилиндров. Одно из преимуществ идеи "бристольского цилиндра" то, что после настройки на оптимальную частоту он не отражает энергию других частот, а дает ей возможность распространяться далее, где ее могут поглотить другие преобразователи, например цилиндры с другой частотой.

В этой главе мы будем обсуждать новое явление - волны. О волнах часто и много говорится в физике, и мы наше внимание должны сконцентрировать на этом вопросе не только потому, что собираемся рассмотреть частный пример волн - звук, - но и потому, что волновые процессы имеют и другие многочисленные применения во всех областях физики.

Изучая гармонический осциллятор, мы уже отмечали, что существуют примеры как механических колеблющихся систем, так и электрических. Волны тесно связаны с колебательными системами, однако волновое движение есть не только колебание в данном месте, зависящее от времени, но и движение в пространстве.

Мы уже на самом деле изучали волны. Когда мы говорили о волновых свойствах света, мы обращали особое внимание на пространственную интерференцию волн одной и той же частоты от различных источников, расположенных в разных местах. Существуют еще два важных явления, о которых мы не упоминали и которые свойственны как свету, т. е. электромагнитным волнам, так и любой другой форме волнового движения. Первое из них - это явление интерференции, но уже не в пространстве, а во времени. Когда мы слушаем звуки сразу от двух источников, причем частоты их слегка отличаются, к нам приходят то гребни обеих волн, то гребень одной волны и впадина другой (фиг. 47.1). Звук то усиливается, то ослабевает, возникают биения, или, другими словами, происходит интерференция во времени. Второе явление - это волновое движение в замкнутом объеме, когда волны отражаются то от одной, то от другой стенки.

Фиг. 47.1. Интерференция звука во времени от двух источников с несколько отличающимися частотами приводит к биениям.

Все эти эффекты можно было, конечно, рассмотреть и на примере электромагнитных волн. Мы этого не сделали по той причине, что на одном примере мы не почувствовали бы общего характера явления, свойственного самым разным процессам. Чтобы подчеркнуть общность понятия волн вне рамок электродинамики, мы рассмотрим здесь другой пример - звуковые волны.

Есть еще пример - морские волны, набегающие на берег, или мелкая водяная рябь. Кроме того, существуют два рода упругих волн в твердых телах: волны сжатия (или продольные волны), в которых частицы тела колеблются вперед и назад в направлении распространения волны (звуковые колебания в газе именно такого типа), и поперечные волны, когда частицы тела колеблются перпендикулярно направлению движения волны. При землетрясениях в результате движения участка земной коры возникают упругие волны обоих типов.

И, наконец, есть еще один тип волн, который нам дает современная физика. Это волны, определяющие амплитуду вероятности нахождения частицы в данном месте, - «волны материи», о которых мы уже говорили. Их частота пропорциональна энергии, а волновое число пропорционально импульсу. Эти волны встречаются в квантовой механике.

В этой главе мы будем рассматривать только такие волны, скорость которых не зависит от длины волны. Пример таких волн - распространение света в вакууме. Скорость света в этом случае одна и та же для радиоволн, для синего и зеленого света и вообще для света любой длины волны. Именно поэтому, когда мы описывали волновые явления, мы сначала и не заметили самого факта распространения волн. Вместо этого мы говорили, что если перенести заряд в некоторую точку, то электрическое поле на расстоянии будет пропорционально ускорению заряда, но не в момент времени , а в более ранний момент времени . Поэтому распределение электрического поля в пространстве в некоторый момент времени, изображенное на фиг. 47.2, спустя время передвинется на расстояние . Выражаясь математически, можно сказать, что в рассматриваемом нами одномерном случае электрическое поле есть функция от . Отсюда видно, что при оно оказывается функцией только . Если взять более поздний момент времени и несколько увеличить мы получим ту же самую величину поля. Например, если максимум поля возникает при и в момент времени , то положение максимума в момент времени находится из равенства

Мы видим, что такая функция отвечает распространению волны.

Итак, функция описывает волну. Мы можем все сказанное записать кратко так:

если . Конечно, существует еще и другая возможность, когда источник излучает волны не направо, как указано на фиг. 47.2, а налево, так что волны будут двигаться в сторону отрицательных . Тогда распространение волны описывалось бы функцией .

Фиг. 47.2. Примерное распределение электрического поля в некоторый момент времени (а) и электрическое поле через промежуток времени (b).

Может еще случиться, что в пространстве одновременно движется несколько волн, и тогда электрическое поле есть сумма всех полей и все они распространяются независимо. Это свойство электрических полей можно выразить так: пусть отвечает одной волне, a - другой, тогда их сумма также описывает некоторую волну. Это утверждение называется принципом суперпозиции. Он справедлив и для звуковых волн.

Мы хорошо знаем, что звуки воспринимаются в той последовательности, в какой они создаются источником. А если бы высокие частоты распространялись быстрее, чем низкие, то вместо звуков музыки мы слышали бы резкий и отрывистый шум. Точно так же если бы красный свет двигался быстрее, чем синий, то вспышка белого света выглядела бы сначала красной, затем белой и наконец синей. Мы хорошо знаем, что такого на самом деле не происходит. И звук, и свет движутся в воздухе со скоростью, почти не зависящей от частоты. Примеры волнового движения, где этот принцип не выполняется, будут рассмотрены в гл. 48.

Для света (электромагнитных волн) мы получили формулу, определяющую электрическое поле в данной точке, которое возникает при ускорении заряда. Казалось бы, нам остается теперь подобным образом определить какую-нибудь характеристику воздуха, скажем давление на заданном расстоянии от источника через движение источника, и учесть запаздывание при распространении звука.

В случае света такой подход был приемлем, так как все наши знания сводились к тому, что заряд в одном месте действует с некоторой силой на заряд в другом месте. Подробности распространения взаимодействия из одной точки в другую были абсолютно несущественны. Но звук, как известно, распространяется по воздуху от источника к уху, и естественно спросить, чему равно давление воздуха в каждый данный момент. Кроме того, хотелось бы знать, как именно движется воздух.

В случае электричества мы могли поверить в правило, поскольку законы электричества мы еще не проходили, но для звука это не так. Нам недостаточно сформулировать закон, определяющий распространение звукового давления в воздухе; этот процесс должен быть объяснен на основе законов механики. Короче, звук есть часть механики, и он должен быть объяснен с помощью законов Ньютона. Распространение звука из одной точки в другую есть просто следствие механики и свойств газов, если звук распространяется в газе, или свойств жидкостей и твердых тел, если звук проходит через эти среды. Позднее мы выведем также свойства света и его волновое движение из законов электродинамики.