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
Mayatnik na vrashayushemsya valu (mayatnik Fruda).
Dlya bolee uglublennogo izucheniya principa deistviya avtokolebatel'noi sistemy proanaliziruem kolebaniya mayatnika, podves kotorogo skreplen s muftoi 1, odetoi na gorizontal'nyi val 2 (ris. 2.10).
![]() |
Ris. 2.10. |
Pust' val vrashaetsya s postoyannoi uglovoi skorost'yu po chasovoi
strelke. Esli ugol otkloneniya mayatnika ot vertikali
menyaetsya s
techeniem vremeni, to sila suhogo treniya v podvese, nelineino zavisyashaya ot
otnositel'noi skorosti mufty i vala
takzhe budet
menyat'sya vo vremeni (
- uglovaya skorost' mufty). Moment
etoi sily
budet okazyvat' periodicheskoe vozdeistvie na mayatnik,
podderzhivaya ego kolebaniya. Na ris. 2.11 izobrazhena nelineinaya zavisimost'
ot otnositel'noi uglovoi skorosti mufty i vala. Na izobrazhennoi
krivoi imeetsya tochka peregiba P. Podberem skorost' vrasheniya vala
takoi, chtoby v otsutstvie kolebanii
popast' v etu
tochku. V etom sluchae k mufte mayatnika budet prilozhen postoyannyi moment sily
treniya:
Dlya dal'neishego analiza bolee udobno
vospol'zovat'sya zavisimost'yu
izobrazhennoi na ris.
2.12. Sleduet podcherknut', chto nachal'noe (lineinoe) narastanie
s
uglovoi skorost'yu
obespechivaet uslovie dlya samoproizvol'nogo
narastaniya kolebanii iz fluktuacii, chto ekvivalentno nalichiyu polozhitel'noi
obratnoi svyazi, a posleduyushee zamedlenie rosta
pri uvelichenii
yavlyaetsya prichinoi nelineinogo ogranicheniya narastaniya kolebanii:
amplituda smesheniya mayatnika (a znachit i amplituda ego skorosti
dostignet maksimal'noi (ustanovivsheisya) velichiny, chto
ekvivalentno nalichiyu nelineinogo ogranichitelya.
![]() | ![]() |
Ris. 2.11. | Ris. 2.12. |
Otklonim ostorozhno mayatnik ot vertikali na ugol takoi, chtoby
moment sily treniya, deistvuyushii na nepodvizhnyi mayatnik,
byl uravnoveshen momentom sily tyazhesti
:
![]() | (2.63) |
Zdes' - massa mayatnika,
- rasstoyanie ot vala do centra mass
mayatnika.
Na pervyi vzglyad, mozhet pokazat'sya, chto mayatnik tak i ostanetsya viset' pod
uglom k vertikali. Na samom dele eto polozhenie budet
neustoichivym. Predstavim, chto v rezul'tate nichtozhnogo tolchka mayatnik
priobretet nebol'shuyu uglovuyu skorost'
Pri etom
vozrastut momenty sil tyazhesti
i treniya
i uslovie (2.63) mozhet
narushit'sya. Esli nachal'nyi naklon krivoi
na ris.
2.12 dostatochno velik (sil'naya polozhitel'naya obratnaya svyaz'), to
Eto oznachaet, chto uglovaya skorost'
budet narastat'. Odnako zatem eto narastanie prekratitsya, t.k.
iz-za nelineinogo zagiba krivoi
ravenstvo
momentov opyat' vosstanovitsya (srabotaet mehanizm nelineinogo ogranicheniya):
![]() | (2.64) |
Usloviyu (2.64) sootvetstvuet tochka na krivoi
Posle etogo uglovaya skorost' nachnet umen'shat'sya, poskol'ku s rostom
ugla
moment
prodolzhaet rasti, a
- ubyvat'. Sledovatel'no, mayatnik spustya kakoe-to vremya ostanovitsya,
a ego ugol otkloneniya dostignet maksimal'noi velichiny
Poskol'ku v etot moment
to mayatnik
nachnet dvigat'sya v obratnom napravlenii. Moment sily tyazhesti nachnet
umen'shat'sya, a moment sily treniya budet takzhe umen'shat'sya, no bystree, chem
moment sily tyazhesti (opyat' srabatyvaet polozhitel'naya obratnaya svyaz').
Snachala eto dvizhenie budet uskorennym, poka
(do tochki R-
na ris. 2.12), a zatem pri
- zamedlennym (do tochki P na ris.
2.12). Ostanovivshis' pri nekotorom ugle naklona
mayatnik
opyat' dvizhetsya vlevo, t.k. vse eshe
Nakonec, on dostigaet
startovoi pozicii, odnako priobretennaya im skorost' budet bol'she skorosti
nachal'nogo tolchka. Takim obrazom, v techenie odnogo perioda kolebanii
uvelichilas' energiya mayatnika za schet ee zaimstvovaniya ot ustroistva,
vrashayushego val.
V posleduyushie periody kolebanii tochki R+ i R na krivoi
budut sdvigat'sya v raznye storony, odnako iz-za
nelineinosti krivoi etot sdvig prekratitsya (srabatyvaet mehanizm nelineinogo
ogranicheniya), i kolebaniya ustanovyatsya.
Chtoby kolichestvenno proanalizirovat' avtokolebaniya mayatnika, zapishem
uravnenie vrashatel'nogo dvizheniya mayatnika s momentom inercii :
![]() | (2.65) |
V etom uravnenii my poka prenebrezhem momentom sily vyazkogo treniya,
deistvuyushei na dvizhushiisya mayatnik. Moment sily suhogo treniya v podvese,
nelineino zavisyashii ot uglovoi skorosti (sm. ris. 2.12),
mozhno approksimirovat' sleduyushim vyrazheniem
![]() | (2.66) |
gde i
- razmernye koefficienty, opredelyayushie obratnuyu
svyaz' i nelineinoe ogranichenie sootvetstvenno. Esli kolebanie opisyvat'
uglom otkloneniya
ot polozheniya neustoichivogo ravnovesiya,
zadavaemogo uglom
to
![]() | (2.67) |
Dlya malyh uglov Esli uchest' dalee, chto
to
uravnenie (2.65) primet vid:
![]() | (2.68) |
Eto uravnenie yavlyaetsya nelineinym differencial'nym uravneniem i ne imeet
analiticheskogo resheniya. V teorii kolebanii razvity metody, pozvolyayushie
reshit' ego priblizhenno, issledovat' usloviya, pri kotoryh vozmozhno
samovozbuzhdenie kolebanii, i naiti amplitudu i chastotu
ustanovivshihsya kolebanii:
![]() | (2.69) |
My zhe postupim bolee prosto i opredelim iz usloviya
energeticheskogo balansa. Poskol'ku pravaya chast' (2.68) mala, to chastota
kolebanii priblizhenno ravna:
Podschitaem rabotu za period kolebanii
sovershaemuyu ustroistvom (naprimer, elektrodvigatelem), vrashayushim val. Ona,
ochevidno, ravna:
![]() | (2.70) |
Zdes' uchteno, chto integraly po vremeni ot i
ravny nulyu, poskol'ku
![]() | (2.71) |
Poteri energii v skol'zyashem podvese za eto vremya sostavyat velichinu
![]() | (2.72) |
Na ris. 2.13 izobrazheny zavisimosti i
ot amplitudy
Vidno, chto pri sluchainyh fluktuaciyah, kogda
malo,
Eto oznachaet, chto kolebaniya budut narastat'. Odnako s rostom amplitudy
nachinayut rasti poteri
. Kolebaniya ustanovyatsya pri
(tochka R na
grafike). Amplituda ustanovivshihsya kolebanii opredelitsya iz ravenstva
![]() | (2.73) |
Otsyuda
![]() | (2.74) |
![]() |
Ris. 2.13. |
Zametim, chto teper' my mozhem legko uchest' sily vyazkogo treniya, dlya chego v
pravuyu chast' uravneniya (2.68) sleduet dobavit' chlen - Eto privedet k tomu, chto
v (2.74) budet umen'shen na velichinu
Poetomu (2.74) izmenitsya:
![]() | (2.) |
Iz poslednego vyrazheniya sleduet, chto pri kolebaniya ne
mogut samoproizvol'no nachat'sya.
Avtokolebatel'nye sistemy nahodyat shirochaishee primenenie v tehnike. Tak, naprimer, duhovye i smychkovye instrumenty, organnye truby, generatory elektromagnitnogo izlucheniya v priemno-peredayushih liniyah svyazi, opticheskie kvantovye generatory (lazery) i dr. predstavlyayut primery avtokolebatel'nyh sistem.
Odnako, avtokolebaniya mogut igrat' i negativnuyu rol', nachinaya ot bezobidnyh kolebanii detalei kranov vodoprovodnyh sistem, "revushih" pri dostatochnom napore vody, do opasnyh kolebanii kryl'ev samoletov, poluchivshih nazvanie "flatter". V noyabre 1940 g. podvesnoi most cherez reku Takoma v SShA razrushilsya iz-za krutil'nyh avtokolebanii, voznikshih pod deistviem duvshego vdol' reki vetra.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|