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:
|