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
Parametricheskie kolebaniya.
V povsednevnoi zhizni my stalkivaemsya s
nezatuhayushimi kolebaniyami, dlya podderzhaniya kotoryh trebuetsya periodicheski
menyat' kakoi-libo parametr kolebatel'noi sistemy. Odnim iz yarkih primerov
yavlyayutsya kolebaniya kachelei. Horosho izvestno, chto mozhno podderzhivat'
kolebaniya dlitel'noe vremya, esli bystro prisedat' v moment naibol'shego
otkloneniya kachelei i takzhe bystro vstavat' pri prohozhdenii polozheniya
ravnovesiya. Blagodarya etomu parametr fizicheskogo mayatnika (kachelei) -
rasstoyanie mezhdu os'yu vrasheniya i centrom mass - menyaetsya skachkoobrazno
na velichinu
.Velichina
dolzhna byt'
takoi, chtoby obespechit' balans energii sistemy: poteri energii mayatnika za
period dolzhny kompensirovat'sya za schet soversheniya raboty, osushestvlyaemoi pri
prisedanii i vstavanii.
Napishem uslovie energeticheskogo balansa dlya prosteishego sluchaya kolebanii
matematicheskogo mayatnika s dlinoi niti a, kotoraya menyaetsya na velichinu (ris. 2.8.). Eto mozhno osushestvit', esli propustit' nit'
mayatnika cherez otverstie v tochke P (tochke podvesa) i zatem, prikladyvaya
vneshnyuyu silu
k koncu niti, periodicheski menyat' ee dlinu.
![]() |
Ris.2.8. |
Rassmotrim ustanovivshiesya parametricheskie kolebaniya mayatnika s ne slishkom
bol'shimi amplitudami i budem schitat', chto zatuhanie malo Poskol'ku
to priblizhenno mozhno schitat', chto ugol
otkloneniya mayatnika ot polozheniya ravnovesiya menyaetsya vo vremeni po
garmonicheskomu zakonu
![]() | (2.53) |
gde soglasno (1.42) a
V moment naibol'shego otkloneniya na ugol sila natyazheniya niti
ravna
Poetomu, udlinyaya nit' na velichinu
vneshnyaya sila
sovershaet otricatel'nuyu rabotu
Raskladyvaya
v ryad
poluchim
![]() | (2.54) |
Pri prohozhdenii mayatnikom polozheniya ravnovesiya gde
Poetomu polozhitel'naya rabota pri ukorachivanii niti s tochnost'yu do chlenov
poryadka
ravna:
![]() | (2.55) |
gde uchteno, chto
Polnaya rabota, sovershaemaya za period vneshnei siloi budet polozhitel'noi
i ravnoi
![]() | (2.56) |
Poteri energii za period chislenno ravny rabote sily treniya:
![]() | (2.57) |
gde
Pri garmonicheskih kolebaniyah (2.53) skorost'
![]() | (2.58) |
Podstavlyaya (2.58) v (2.57) i vypolnyaya integrirovanie, poluchaem:
![]() | (2.59) |
poskol'ku
Sledovatel'no, uslovie balansa energii sostoit v ravenstve nulyu summy rabot:
ili
![]() | (2.60) |
Provodya sokrasheniya i ispol'zuya opredelenie vyrazhenie dlya dobrotnosti poluchaem priblizhennoe vyrazhenie
dlya amplitudy
ustanovivshihsya parametricheskih kolebanii:
![]() | (2.61) |
Otnoshenie nazyvayut glubinoi modulyacii parametra
Iz (2.61)
vidno, chto dlya vozniknoveniya parametricheskih kolebanii glubina modulyacii
dolzhna prevzoiti nekotoroe minimal'noe (porogovoe) znachenie, primerno ravnoe
velichine, obratnoi dobrotnosti:
![]() | (2.62) |
Chem bolee dobrotna sistema, tem men'she porogovaya glubina modulyacii. S
povysheniem velichiny amplituda kolebanii
kak
eto sleduet iz formuly (2.61), budet uvelichivat'sya. Odnako pri bol'shih
amplitudah
formula (2.61) stanovitsya malo priemlemoi,
poskol'ku sdelannye nami priblizheniya stanovyatsya neprimenimymi.
Sleduet otmetit', chto parametricheskoe vozbuzhdenie yavlyaetsya sushestvenno
nelineinym effektom. Eto vidno, v chastnosti, iz uravneniya (2.60): esli
prenebrech' v nem malymi slagaemymi kotorye
opisyvayut nelineinost', to
iz uravneniya vypadaet, i
poluchaetsya sootnoshenie
Fizicheski eto oznachaet, chto pri etom znachenii glubiny modulyacii
energeticheskii balans v sisteme obespechivaetsya pri lyubyh amplitudah
chto neverno.
Zametim, chto vozbuzhdenie parametricheskih kolebanii, voobshe govorya, mozhet
proishodit' ne tol'ko na udvoennoi chastote sobstvennyh kolebanii sistemy,
kogda parametr menyaetsya odin raz za kazhdye polperioda, no i pri bolee redkom
vozdeistvii: cherez odin, dva, tri i t. d. polperiodov kolebanii, t.e. na
chastotah gde
- lyuboe celoe chislo. Vozbuzhdenie takzhe
vozmozhno vnutri nekotoroi oblasti - vblizi kazhdoi iz etih chastot, no
porogovye znacheniya glubiny modulyacii dlya raznyh chastot budut razlichny.
Avtokolebaniya.
Nablyudaya kolebaniya list'ev derev'ev, dorozhnyh znakov nad proezzhei chast'yu ulic, polotnish na vetru i dr., my ponimaem, chto vo vseh perechislennyh sluchayah nezatuhayushie kolebaniya proishodyat za schet energii postoyanno duyushego vetra. Pri etom sama kolebatel'naya sistema proizvodit otbor energii vetra v nuzhnyi moment vremeni i v kolichestve, trebuemom dlya kompensacii neizbezhno prisutstvuyushih energeticheskih poter'. Kolebaniya v etih sistemah nachinayutsya samoproizvol'no za schet nachal'nyh fluktuacii (drozhanii) koleblyushihsya predmetov. Chastota i amplituda ustanovivshihsya kolebanii opredelyaetsya kak parametrami samoi sistemy, tak i parametrami ee vzaimodeistviya s vetrom. Takie kolebaniya yavlyayutsya primerami avtokolebanii, a sami sistemy - primerami avtokolebatel'nyh sistem.
Klassicheskim primerom avtokolebatel'noi sistemy sluzhat mehanicheskie chasy s mayatnikom i giryami. Eti chasy periodicheski "cherpayut" energiyu pri opuskanii gir', podveshennyh k cepochke, perekinutoi cherez shesternyu chasovogo mehanizma.
Princip raboty vseh avtokolebatel'nyh sistem mozhno ponyat', obrativshis' k sheme, izobrazhennoi na ris. 2.9a.
![]() |
Ris. 2.9a. |
Periodicheskim postupleniem energii v kolebatel'nuyu sistemu ot istochnika energii po kanalu AV upravlyaet sama kolebatel'naya sistema posredstvom obratnoi svyazi. Shematicheski eto izobrazheno v vide nekotorogo zapirayushego kanal AV ustroistva (klyucha), kotoryi upravlyaetsya samoi sistemoi. Tak, v zavisimosti ot polozheniya i skorosti koleblyushegosya lista na vetru budet razlichnoi moshnost' sil aerodinamicheskogo davleniya. V konstrukcii chasovogo mehanizma (ris. 2.9b) prisutstvuet special'noe ustroistvo - anker, vypolnyayushii rol' klyucha. Etot anker, predstavlyayushii soboi koromyslo, privoditsya v kolebanie samim mayatnikom chasov. Pri opredelennyh polozheniyah on "otpiraet" odnu iz shesteren chasovogo mehanizma. V etot moment vremeni shesternya provorachivaetsya za schet momenta sil, prilozhennogo so storony natyanutoi cepi s gruzom. Gruz pri etom opuskaetsya na nebol'shuyu velichinu. Kolichestvo energii, postupayushei v chasovoi mehanizm, ravno po velichine umen'sheniyu potencial'noi energii gruza v pole sily tyazhesti.
![]() |
Ris. 2.9b. |
Vazhno otmetit', chto lyubaya avtokolebatel'naya sistema nelineina. Na sheme eto otrazheno nalichiem v sisteme obratnoi svyazi nelineinogo ogranichitelya signala, upravlyayushego klyuchom. Nelineinost' sistemy proyavlyaetsya v tom, chto pri nachal'nom narastanii amplitudy kolebanii, porozhdennyh fluktuaciyami, postuplenie energii v sistemu za kazhdyi posleduyushii period kolebanii uvelichivaetsya nelineino, t.e. prirost postupayushei energii stanovitsya vse men'she i men'she. Estestvenno, chto amplituda kolebanii dostignet takoi ustanovivsheisya velichiny, pri kotoroi pritok energii i ee poteri budut ravny po velichine.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|