Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
Vynuzhdennye kolebaniya s proizvol'noi chastotoi.
Budem iskat' reshenie uravneniya (2.10) v kompleksnom vide:
![]() | (2.26) |
Vynuzhdayushuyu silu v pravoi chasti (2.10) takzhe zapishem v kompleksnoi forme:
![]() | (2.27) |
gde - deistvitel'noe chislo, poskol'ku dlya prostoty
my polozhili, chto nachal'naya faza v vyrazhenii dlya sily (2.5) ravna nulyu.
Togda uravnenie (2.10) mozhno zapisat' v vide:
![]() | (2.28) |
Kompleksnuyu amplitudu legko
nahodim podstanovkoi (2.26) v (2.28):
![]() | (2.29) |
Otsyuda poluchaem:
![]() | (2.30) |
Iz (2.30) netrudno naiti amplitudu kolebanii
![]() | (2.31) |
i fazu
![]() | (2.32) |
polnost'yu opredelyayushie vynuzhdennye kolebaniya (2.25).
Zavisimost' amplitudy ot chastoty
zadavaemaya formuloi
(2.31), nazyvaetsya amplitudno-chastotnoi harakteristikoi (AChH), a
zavisimost'
opisyvaemaya formuloi (2.32),
nazyvaetsya fazo-chastotnoi harakteristikoi (FChH). Na ris. 2.3 izobrazhena
AChH, kotoraya otobrazhaet narastanie amplitudy
pri priblizhenii
k
Eto yavlenie poluchilo nazvanie rezonansa smeshenii.
Interesno, chto maksimal'noe znachenie amplitudy, v
raz prevoshodyashee
staticheskoe smeshenie
dostigaetsya na chastote
![]() | (2.33) |
kotoraya neskol'ko men'she kak sobstvennoi chastoty tak i
chastoty zatuhayushih kolebanii
Dlya
prakticheskih celei dlya chastot
lezhashih vblizi chastoty
formula (2.31) mozhet byt' znachitel'no uproshena. Tak, mozhno polozhit'
![]() | (2.34) |
![]() |
![]() |
Ris. 2.3. |
S uchetom priblizhenii (2.34) formula (2.31) primet vid:
![]() | (2.35) |
V fizike bezrazmernuyu funkciyu
![]() | (2.36) |
nazyvayut Lorencevoi, a grafik etoi funkcii nazyvayut Lorencevym konturom.
Shirinu etogo kontura, opredelyayushuyu ostrotu rezonansa,
nahodyat iz usloviya ubyvaniya vdvoe energii kolebatel'noi sistemy,
proporcional'noi kvadratu amplitudy
v (2.35), chto
ekvivalentno priblizhennomu sootnosheniyu
![]() | (2.37) |
kotoroe poyasnyaetsya risunkom 2.4. Pri etom uslovii t.e.
Shirina Lorenceva
kontura harakterizuet polosu propuskaniya kolebatel'noi sistemy, t.e. takuyu
oblast' chastot vneshnei sily, dlya kotoryh sistema effektivno otklikaetsya na
garmonicheskoe vneshnee vozdeistvie. Legko videt', chto dobrotnost' sistemy
ravna
![]() | (2.38) |
t.e. obratno proporcional'na polose propuskaniya.
![]() |
Ris. 2.4. |
S umen'sheniem koefficienta AChH menyaet svoyu formu, kak eto
izobrazheno punktirom na ris. 2.3 dlya
Polosa
propuskaniya
umen'shaetsya, dobrotnost'
vozrastaet, i
rezonans stanovitsya bolee ostrym.
Fazo-chastotnaya harakteristika dlya dvuh razlichnyh koefficientov zatuhaniya
izobrazhena na ris. 2.5. Fizicheskoe soderzhanie zavisimosti my podrobno obsudili dlya treh razlichnyh rezhimov vynuzhdennyh
kolebanii. Otmetim lish', chto s umen'sheniem zatuhaniya
krivaya
stanovitsya bolee "chuvstvitel'noi" k izmeneniyu
chastoty vblizi rezonansa.
![]() |
Ris. 2.5. |
Naryadu s rezonansom smeshenii, mozhno govorit' o rezonanse skorostei i rezonanse uskorenii
Skorost' koleblyusheisya massy ravna:
![]() | (2.39) |
a ee uskorenie:
![]() | (2.40) |
t.e. amplitudno-chastotnaya harakteristika dlya skorosti poluchaetsya umnozheniem
AChH (2.31) na a dlya uskoreniya - na
:
![]() |
![]() |
Na ris. 2.6 izobrazheny chastotnye zavisimosti amplitud skorosti i uskoreniya
![]() |
Ris. 2.6. |
Harakterno, chto rezonans skorosti proishodit na chastote a rezonans uskoreniya - pri
Otmetim, chto vse rezonansnye chastoty svyazany mezhdu soboi:
![]() | (2.41) |
Otmetim takzhe, chto po prichinam, rassmotrennym ranee, v oblasti nizkih chastot
maly kak uskorenie, tak i skorost'. V oblasti vysokih chastot uskorenie
konechno i obespechivaetsya lish'
vneshnei siloi. Odnako skorost' po-prezhnemu neznachitel'na, poskol'ku telo ne
uspevaet razognat'sya.
Ne predstavlyaet truda narisovat' samostoyatel'no fazo-chastotnye
harakteristiki dlya skorosti i dlya uskoreniya, pol'zuyas' formulami (2.39) i
(2.40), poskol'ku oni poluchayutsya prostym sdvigom FChH dlya smesheniya (2.32),
izobrazhennoi na ris. 2.5, vverh sootvetstvenno na ili na
V zaklyuchenie rassmotrim vopros o podvode energii k oscillyatoru pri proizvol'noi chastote vynuzhdayushei sily. Srednyaya za period moshnost' etoi sily ravna
![]() |
gde - sdvig faz mezhdu skorost'yu i siloi. My vidim, chto maksimum podvodimoi k oscillyatoru moshnosti
dostigaetsya na chastote
poskol'ku pri etom maksimal'ny i
amplituda skorosti
i
Pri drugih
chastotah vynuzhdayushei sily eta moshnost' bystro umen'shaetsya i stremitsya k
nulyu, kak pri
tak i pri
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|