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:
|