Уравнение Кортевега - де Фриса

Открытие уединенной волны

Волны на воде издавна привлекали к себе вни­мание исследователей. Это связано с тем, что они представляют собой широко известное явление в природе и, кроме того, сопровождают перемещение судов по воде.

Любопытную волну на воде наблюдал шотланд­ский ученый Джон Скотт Рассел в 1834 году. Он за­нимался исследованием перемещения по каналу баржи, которую тянула пара лошадей. Неожиданно баржа остановилась, но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась, а собралась у носа судна, а затем оторвалась от него. Далее эта масса воды покатилась по каналу с большой скоро­стью в виде уединенного возвышения, не меняя своей формы и не снижая скорости.

На протяжении всей жизни Рассел неоднократ­но возвращался к наблюдению за этой волной, по­скольку верил, что открытая им уединенная волна играет важную роль во многих явлениях в природе. Он установил некоторые свойства этой волны. Во-первых, заметил, что она движется с постоянной скоростью и без изменения формы [3]. Во-вторых, нашел зависимость скорости С этой волны от глу­бины канала h и высоты волны а:

где g — ускорение свободного падения, причем a < h. В-третьих, Рассел обнаружил, что возможен распад одной большой волны на несколько волн. В-четвер­тых, он отметил, что в экспериментах наблюдаются только волны возвышения. Однажды он также обра­тил внимание, что открытые им уединенные волны проходят друг через друга без каких-либо измене­ний, как и малые волны, образованные на поверхно­сти воды. Однако на последнее очень важное свой­ство он не обратил существенного внимания.

Работа Рассела, опубликованная в 1844 году как "Доклад о волнах", вызвала осторожную реакцию в среде ученых. На континенте ее не заметили сов­сем, а в самой Англии на нее обратили внимание Г.Р. Эйри и Дж.Г. Стоке. Эйри подверг критике ре­зультаты экспериментов, которые наблюдал Рассел. Он отмечал, что из теории длинных волн на мелкой воде выводы Рассела не получаются, и утверждал, что длинные волны не могут сохранять неизменную форму. И в конечном итоге подверг сомнению пра­вильность наблюдений Рассела. Один из основате­лей современной гидродинамики, Джордж Габриэль Стоке, также не согласился с результатами наблюде­ний, полученными Расселом, и критически отнесся к факту существования уединенной волны.

После столь негативного отношения к откры­тию уединенной волны долгое время о ней просто не вспоминали. Определенную ясность в наблюде­ния Рассела внесли Дж. Буссинеск (1872 год) и Дж.У. Рэлей (1876 год), которые независимо друг от друга нашли аналитическую формулу для возвыше­ния свободной поверхности на воде в виде квадрата гиперболического секанса и вычислили скорость распространения уединенной волны на воде.

Позже опыты Рассела были повторены другими исследователями и получили подтверждение.

Линейные и нелинейные волны

В качестве математических моделей при описа­нии распространения волн в различных средах час­то используют уравнения в частных производных. Это такие уравнения, которые содержат в качестве неизвестных производные от характеристик рассматриваемого явления. Причем поскольку ха­рактеристика (например, плотность воздуха при распространении звука) зависит от расстояния до источника и от времени, то и в уравнении использу­ются не одна, а две (а иногда и больше) производ­ные. Простое волновое уравнение имеет вид

u_tt = c ² u_xx            (1.1)

Характеристика волны и в этом уравнении зависит от пространственной координаты х и времени t, а индексы у переменной и обозначают вторую произ­водную от и по времени (u_tt) и вторую производную от и по переменной x (u_xx). Уравнение (1) описывает плоскую одномерную волну, аналогом которой мо­жет служить волна в струне. В этом уравнении в ка­честве и можно принять плотность воздуха, если речь идет, например, о звуковой волне в воздухе. Ес­ли рассматривают электромагнитные волны, то под и следует понимать напряженность электрического или магнитного поля.

Решение волнового уравнения (1), которое впервые было получено Ж. Д'Аламбером в 1748 го­ду, имеет вид

u(x,t)=f(x-ct)+g(x+ct) (1.2)

Здесь функции f и g находят из начальных условий для и. Уравнение (1.1) содержит вторую производную от и по t, поэтому для него следует задавать два на­чальных условия: значение и при t = 0 и производ­ную и, при t = 0.

Волновое уравнение (1.1) имеет очень важное свойство, суть которого заключена в следующем. Оказалось, что если взять два любых решения этого уравнения, то их сумма снова будет решением этого же уравнения. Это свойство отражает принцип су­перпозиции решений уравнения (1.1) и соответствует линейности явления, которое оно описывает. Для нелинейных моделей это свойство не выполняется, что приводит к существенным отличиям протекания процессов в соответствующих моделях. В частности, из выражения для скорости уединенной волны, ко­торую наблюдал Рассел, следует, что ее значение за­висит от амплитуды, а для волны, описываемой уравнением (1.1), такой зависимости нет.

Непосредственной подстановкой в уравнение (1.1) можно убедиться, что зависимость

u(x,t)=a cos(kx- w t) (1.3)

в которой а, k и w — постоянные, при w =± k является решением уравнения (1). В этом решении а — амплитуда, k — волновое число, а w — частота. При­веденное решение представляет собой монохрома­тическую волну, переносимую в среде с фазовой скоростью

c_p=    (1.4)

На практике монохроматическую волну создать трудно, и обычно имеют дело с цугом (пакетом) волн, в котором каждая волна распространяется со своей скоростью, а скорость распространения паке­та характеризуется групповой скоростью

C_g = , (1.5)

определяемой через производную от частоты w по волновому числу k.

Определить, с какой (линейной или нелиней­ной) моделью имеет дело исследователь, не всегда легко, но когда математическая модель сформули­рована, то решение этого вопроса упрощается и вы­полнение принципа суперпозиции решений можно проверить.

Возвращаясь к волнам на воде, заметим, что их можно анализировать используя хорошо известные уравнения гидродинамики, о которых известно, что они нелинейны. Поэтому и волны на воде в общем случае являются нелинейными. Только в предель­ном случае малых амплитуд эти волны могут счи­таться линейными.

Отметим, что и распространение звука не во всех случаях описывается линейным уравнением. Еще Рассел при обосновании своих наблюдений по уе­диненной волне отметил, что звук от выстрела пуш­ки распространяется в воздухе быстрее, чем коман­да произвести этот выстрел. Это объясняется тем, что распространение мощного звука описывается уже не волновым уравнением, а уравнениями газо­вой динамики.

 

Групповой солитон

Выше мы говорили, что на практике волны, как правило, распространяются группами. Подобные группы волн на воде люди наблюдали с незапамят­ных времен. На вопрос о том, почему для волн на воде так типичны "стаи" волн, удалось ответить Т. Бенжамену и Дж. Фейеру только в 1967 году. Тео­ретическими расчетами они показали, что простая периодическая волна на глубокой воде неустойчива (теперь это явление называется неустойчивостью Бенжамена—Фейера), и поэтому волны на воде из-за неустойчивости разбиваются на группы. Уравнение, с помощью которого описывается распространение групп волн на воде, было получено В.Е. Захаровым в 1968 году. К тому времени это уравнение уже было известно в физике и носило название нелинейного уравнения Шрёдингера. В 1971 году В.Е. Захаров и А.Б. Шабат показали, что это нелинейное уравне­ние имеет решения также в виде солитонов, более того, нелинейное уравнение Шрёдингера, так же как и уравнение Кортевега—де Фриса, может быть проинтегрировано методом обратной задачи рассея­ния. Солитоны нелинейного уравнения Шрёдинге­ра отличаются от обсуждаемых выше солитонов Кортевега—де Фриса тем, что они соответствуют форме огибающей группы волн. Внешне они на­поминают модулированные радиоволны. Эти солитоны называются групповыми солитонами, а иногда солитонами огибающей. Это название от­ражает сохраняемость при взаимодействии огиба­ющей волнового пакета (аналог штриховой ли­нии, представленной на рис. 3), хотя сами волны под огибающей двигаются со скоростью, отличной от групповой. При этом форма огибающей описывается 

 

 

Рис. 3. Пример группового солитона (штриховая линия)

зависимостью

a(x,t)=a₀ ch^-1()

где а_а - амплитуда, а l — половина размера солитона. Обычно под огибающей солитона находится от 14 до 20 волн, причем средняя волна самая большая. С этим связан хорошо известный факт, что самая вы­сокая волна в группе на воде находится между седь­мой и десятой (девятый вал). Если в группе волн об­разовалось большее количество волн, то произойдет ее распад на несколько групп.

Нелинейное уравнение Шрёдингера, как и урав­нение Кортевега— де Фриса, также имеет широкую распространенность при описании волн в различ­ных областях физики. Это уравнение было предло­жено в 1926 году выдающимся австрийским физи­ком Э. Шрёдингером для анализа фундаментальных свойств квантовых систем [4] и первоначально ис­пользовано при описании взаимодействия внут­риатомных частиц. Обобщенное или нелинейное уравнение Шрёдингера описывает совокупность явлений в физике волновых процессов. Например, оно используется для описания эффекта самофоку­сировки при воздействии мощного лазерного луча на нелинейную диэлектрическую среду и для опи­сания распространения нелинейных волн в плазме.

Постановка задачи

3.1. Описание модели.В настоящее время наблюдается значи­тельно возрастающий интерес к исследованию нелинейных волно­вых процессов в различных областях физики (например, в оптике, физике плазмы, радиофизике, гидродинамике и т.д.). Для изучения волн малой, но конечной амплитуды в дисперсионных средах в каче­стве модельного уравнения часто используют уравнение Кортевега-де Фриза (КдФ):

u _t + ии_х + b и_ххх = 0 (3.1)

 

Уравнение КдФ было использовано для описания магнитозвуковых волн, распространяющихся строго поперек магнитного поля или под углами, близкими к .

Основные предположения, которые делаются при выводе уравне­ния: 1) малая, но конечная амплитуда, 2) длина волны велика по сравнению с длиной дисперсии.

Компенсируя действие нелинейности, дисперсия дает возможность формироваться в дисперсионной среде стационарным волнам конеч­ной амплитуды - уединенным и периодическим. Уединенные волны для уравнения КдФ после работы [8] стали называться солитонами [9]. Периодические волны носят название кноидальных волн. Соот­ветствующие формулы для их описания даны в [4].

3.2. Постановка дифференциальной задачи.В работе иссле­дуется численное решение задачи Коши для уравнения Кортевега-де Фриза с периодическими условиями по пространству в прямоуголь­нике Q_T ={(t, x):0< t < T, x Î [ 0, l ].

u _t + ии_х + b и_ххх = 0       (3.2)

u(x,t)|_x=0=u(x,t)|_x=l                  (3.3)

с начальным условием

u(x,t)|_t=0=u₀(x)                (3.4)

 

 

 

 

Численное решение

Литература

 

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. М.: Наука, 1964. Т. 3.

2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1965. Вып.4.

3. Филиппов А. Г Многоликий солитон. М.: Наука, 1986. (Б-чка "Квант"; Вып. 48).

4. Рубанков В.Н. Солитоны, новое в жизни, науке, тех­нике. М.: Знание, 1983. (Физика; Вып. 12).

5. Korteweg D.J., de Vries G. On the change form of long waves advancing in a rectangular channel and on new type of long stationary waves.//Phyl.May. 1895. e5. P. 422-443.

6. Сагдеев Р.З. Коллективные процессы и ударные волны в разре­женной плазме.-В кн.: Вопросы теории плазмы, Вып.4. М.: Атомиз-дат, 1964, с.20-80.

7. Березин Ю.А., Карпман В.И. К теории нестационарных волн конечной амплитуды в разреженной плазме. // ЖЭТФ, 1964, т.46, вып.5, с. 1880-1890.

8. Zabusky N.J., Kruskal M.D. Interactions of "solitons"in a collisionless plasma and the reccurence of initial states // Phys.Rev.Lett. 1965. V.15. еб. Р.240-243.

9. Буллаф Р., Кодри Ф. Солитоны. М.: Мир; 1983

10. Sjoberg A. On the Korteweg-de Vries equation, existence and uniqueness, Uppsala University, Department of Computers, 1967

11. Temam R. Sur un probleme non lineare // J.Math.Pures Anal. 1969, V.48, 2, P. 159-172.

12. Лионе Ж.-Л. Некоторые методы решения нелинейных краевых задач. М.: Мир, 1972.

13. Кружков С.Н. Фаминский А.В. Обобщенные решения для урав­нения Кортевега-де Фриза.// Матем. сборник, 1983, т. 120(162), еЗ, с.396-445

14.. Gardner C.S., Green J.M., Kruskal M.D., Miura R.M. Method for solving the Korteweg-de Vries equation // Phys.Rev.Lett. 1967. V. 19. P. 1095-1097.

15. Шабат А.Б. Об уравнении Кортевега-де Фриза // ДАН СССР, 1973, т.211, еб, с.1310-1313.

16. Фаминский А.В. Граничные задачи для уравнения Кортевега-де Фриза и его обобщений: Дисс.... докт. физ.-матем. наук,М:РУДН,2001

17. Miura R.M., Gardner C.S., Kruscal M.D. Korteweg-de Vries equation and generlization. II. Existence of conservation laws and constants of motion. // J.Math.Phys. 1968. V.9. P. 1204-1209.

18. Амосов А.А., Злотник А.А. Разностная схема для уравнений движений газа.

19. Самарский А.А., Мажукин В.И., Матус П.П., Михайлик И.А. Z/2-консервативные схемы для уравнения Кортевега-де Фриса.// ДАН, 1997, т.357, е4, с.458-461

20. Березин Ю.А. Моделирование нелинейных волновых процес­сов. Новосибирск: Наука. 1982.

21. Березин Ю.А., О численных решениях уравнения Кортевега-де Вриза.// Численные методы механики сплошной среды. Новоси­бирск, 1973, т.4, е2, с.20-31

22. Самарский А.А., Николаев Методы решения сеточных уравнений. М: Наука, 1978

23. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М: Наука, 1989

24. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М: Наука, 1987

 

    

Открытие уединенной волны

Волны на воде издавна привлекали к себе вни­мание исследователей. Это связано с тем, что они представляют собой широко известное явление в природе и, кроме того, сопровождают перемещение судов по воде.

Любопытную волну на воде наблюдал шотланд­ский ученый Джон Скотт Рассел в 1834 году. Он за­нимался исследованием перемещения по каналу баржи, которую тянула пара лошадей. Неожиданно баржа остановилась, но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась, а собралась у носа судна, а затем оторвалась от него. Далее эта масса воды покатилась по каналу с большой скоро­стью в виде уединенного возвышения, не меняя своей формы и не снижая скорости.

На протяжении всей жизни Рассел неоднократ­но возвращался к наблюдению за этой волной, по­скольку верил, что открытая им уединенная волна играет важную роль во многих явлениях в природе. Он установил некоторые свойства этой волны. Во-первых, заметил, что она движется с постоянной скоростью и без изменения формы [3]. Во-вторых, нашел зависимость скорости С этой волны от глу­бины канала h и высоты волны а:

где g — ускорение свободного падения, причем a < h. В-третьих, Рассел обнаружил, что возможен распад одной большой волны на несколько волн. В-четвер­тых, он отметил, что в экспериментах наблюдаются только волны возвышения. Однажды он также обра­тил внимание, что открытые им уединенные волны проходят друг через друга без каких-либо измене­ний, как и малые волны, образованные на поверхно­сти воды. Однако на последнее очень важное свой­ство он не обратил существенного внимания.

Работа Рассела, опубликованная в 1844 году как "Доклад о волнах", вызвала осторожную реакцию в среде ученых. На континенте ее не заметили сов­сем, а в самой Англии на нее обратили внимание Г.Р. Эйри и Дж.Г. Стоке. Эйри подверг критике ре­зультаты экспериментов, которые наблюдал Рассел. Он отмечал, что из теории длинных волн на мелкой воде выводы Рассела не получаются, и утверждал, что длинные волны не могут сохранять неизменную форму. И в конечном итоге подверг сомнению пра­вильность наблюдений Рассела. Один из основате­лей современной гидродинамики, Джордж Габриэль Стоке, также не согласился с результатами наблюде­ний, полученными Расселом, и критически отнесся к факту существования уединенной волны.

После столь негативного отношения к откры­тию уединенной волны долгое время о ней просто не вспоминали. Определенную ясность в наблюде­ния Рассела внесли Дж. Буссинеск (1872 год) и Дж.У. Рэлей (1876 год), которые независимо друг от друга нашли аналитическую формулу для возвыше­ния свободной поверхности на воде в виде квадрата гиперболического секанса и вычислили скорость распространения уединенной волны на воде.

Позже опыты Рассела были повторены другими исследователями и получили подтверждение.

Линейные и нелинейные волны

В качестве математических моделей при описа­нии распространения волн в различных средах час­то используют уравнения в частных производных. Это такие уравнения, которые содержат в качестве неизвестных производные от характеристик рассматриваемого явления. Причем поскольку ха­рактеристика (например, плотность воздуха при распространении звука) зависит от расстояния до источника и от времени, то и в уравнении использу­ются не одна, а две (а иногда и больше) производ­ные. Простое волновое уравнение имеет вид

u_tt = c ² u_xx            (1.1)

Характеристика волны и в этом уравнении зависит от пространственной координаты х и времени t, а индексы у переменной и обозначают вторую произ­водную от и по времени (u_tt) и вторую производную от и по переменной x (u_xx). Уравнение (1) описывает плоскую одномерную волну, аналогом которой мо­жет служить волна в струне. В этом уравнении в ка­честве и можно принять плотность воздуха, если речь идет, например, о звуковой волне в воздухе. Ес­ли рассматривают электромагнитные волны, то под и следует понимать напряженность электрического или магнитного поля.

Решение волнового уравнения (1), которое впервые было получено Ж. Д'Аламбером в 1748 го­ду, имеет вид

u(x,t)=f(x-ct)+g(x+ct) (1.2)

Здесь функции f и g находят из начальных условий для и. Уравнение (1.1) содержит вторую производную от и по t, поэтому для него следует задавать два на­чальных условия: значение и при t = 0 и производ­ную и, при t = 0.

Волновое уравнение (1.1) имеет очень важное свойство, суть которого заключена в следующем. Оказалось, что если взять два любых решения этого уравнения, то их сумма снова будет решением этого же уравнения. Это свойство отражает принцип су­перпозиции решений уравнения (1.1) и соответствует линейности явления, которое оно описывает. Для нелинейных моделей это свойство не выполняется, что приводит к существенным отличиям протекания процессов в соответствующих моделях. В частности, из выражения для скорости уединенной волны, ко­торую наблюдал Рассел, следует, что ее значение за­висит от амплитуды, а для волны, описываемой уравнением (1.1), такой зависимости нет.

Непосредственной подстановкой в уравнение (1.1) можно убедиться, что зависимость

u(x,t)=a cos(kx- w t) (1.3)

в которой а, k и w — постоянные, при w =± k является решением уравнения (1). В этом решении а — амплитуда, k — волновое число, а w — частота. При­веденное решение представляет собой монохрома­тическую волну, переносимую в среде с фазовой скоростью

c_p=    (1.4)

На практике монохроматическую волну создать трудно, и обычно имеют дело с цугом (пакетом) волн, в котором каждая волна распространяется со своей скоростью, а скорость распространения паке­та характеризуется групповой скоростью

C_g = , (1.5)

определяемой через производную от частоты w по волновому числу k.

Определить, с какой (линейной или нелиней­ной) моделью имеет дело исследователь, не всегда легко, но когда математическая модель сформули­рована, то решение этого вопроса упрощается и вы­полнение принципа суперпозиции решений можно проверить.

Возвращаясь к волнам на воде, заметим, что их можно анализировать используя хорошо известные уравнения гидродинамики, о которых известно, что они нелинейны. Поэтому и волны на воде в общем случае являются нелинейными. Только в предель­ном случае малых амплитуд эти волны могут счи­таться линейными.

Отметим, что и распространение звука не во всех случаях описывается линейным уравнением. Еще Рассел при обосновании своих наблюдений по уе­диненной волне отметил, что звук от выстрела пуш­ки распространяется в воздухе быстрее, чем коман­да произвести этот выстрел. Это объясняется тем, что распространение мощного звука описывается уже не волновым уравнением, а уравнениями газо­вой динамики.

 

Уравнение Кортевега - де Фриса

 

 

Окончательная ясность в проблеме, которая воз­никла после опытов Рассела по уединенной волне, наступила после работы датских ученых Д.Д. Кортевега и Г. де Фриса, которые попытались разобраться в существе наблюдений Рассела. Обобщив метод Рэлея, эти ученые в 1895 году вывели уравнение для описания длинных волн на воде. Кортевег и де Фрис, используя уравнения гидродинамики, рас­смотрели отклонение и(х, t) от положения равнове­сия поверхности воды при отсутствии вихрей и при постоянстве плотности воды. Сделанные ими на­чальные приближения были естественны. Они так­же предположили, что при распространении волны выполняются два условия для безразмерных пара­метров

e = <<1, d =  (2.1)

Здесь а — амплитуда волны, h — глубина бассейна, в котором рассматриваются волны, l — длина волны (рис. 1).

Суть приближений состояла в том, что амплиту­да рассматриваемых волн была много меньше, чем

 

Рис. 1. Уединенная волна, распространяющаяся по каналу, и ее параметры

 

 

глубина бассейна, но в то же время длина волны бы­ла много больше, чем глубина бассейна. Таким образом, Кортевег и де Фрис рассматривали длин­ные волны.

Уравнение, которое было ими получено, имеет вид

u_t + 6uu_x + u_xxx = 0.     (2.2)

Здесь u (x,t) - отклонение от положения равновесия поверхности воды (форма волны) - зависит от ко­ординаты x и времени t. Индексы у характеристики u означают соответствующие производные по t и по x. Это уравнение, как и (1), является уравнением в ча­стных производных. Изучаемая характеристика у него (в данном случае u) зависит от пространствен­ной координаты x и времени t.

Решить уравнение такого типа - значит найти зависимость u от x и t, после подстановки которой в уравнение мы придем к тождеству.

Уравнение (2.2) имеет волновое решение, извест­ное с конца прошлого века. Оно выражается через специальную эллиптическую функцию, изученную Карлом Якоби, которая носит теперь его имя.

При некоторых условиях эллиптическая функ­ция Якоби переходит в гиперболический секанс и решение имеет вид

u(x,t)=2k²ch^-2{k(x-4k²t)+ j ₀ }, (2.3)

где j ₀ — произвольная постоянная.

Решение (8) уравнения (7) является предельным случаем бесконечно большого периода волны. Именно этот предельный случай является уединен­ной волной, соответствующей наблюдению Рассела в 1834 году.

Решение (8) уравнения Кортевега— де Фриса яв­ляется бегущей волной. Это означает, что оно зави­сит от координаты x и времени t через переменную x = x - c ₀ t. Эта переменная характеризует положение точки координат, движущейся со скоростью волны с₀, то есть она обозначает положение наблюдателя, который постоянно находится на гребне волны. Та­ким образом, уравнение Кортевега— де Фриса в от­личие от решения Д'Аламбера (1.2) волнового реше­ния (1.1) имеет волну, распространяющуюся лишь в одном направлении. Однако оно учитывает прояв­ление более сложных эффектов вследствие дополнительных слагаемых uu_x и u_xxx.

В действительности это уравнение является так­же приближенным, поскольку при его выводе ис­пользованы малые параметры (2.1) e и d. Если прене­бречь влиянием этих параметров, устремляя их к нулю, мы получим одну из частей решения Д'Алам­бера.

Конечно, при выводе уравнения для длинных волн на воде влияние параметров е и 6 может быть учтено более точно, но тогда получится уравнение, содержащее гораздо больше слагаемых, чем уравне­ние (2.2), и с производными более высокого порядка. Из сказанного следует, что решение уравнения Кортевега-де Фриса для описания волн справедливо только на определенном расстоянии от места обра­зования волны и на определенном промежутке вре­мени. На очень больших расстояниях нелинейные волны уже не будут описываться уравнением Кортевега-де Фриса, и для описания процесса потребует­ся более точная модель. Уравнение Кортевега-де Фриса в этом смысле следует рассматривать как не­которое приближение (математическую модель), со­ответствующее с определенной степенью точности реальному процессу распространения волн на воде.

Используя специальный подход, можно убе­диться, что принцип суперпозиции решений для уравнения Кортевега-де Фриса не выполняется, и поэтому это уравнение является нелинейным и описывает нелинейные волны.