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
Metodika analiza kolebanii svyazannyh oscillyatorov.
Vyshe my rassmotreli kolebaniya dvuh odinakovyh svyazannyh pruzhinnyh mayatnikov, ne pribegaya k resheniyu uravnenii ih dvizheniya. Odnako, esli zhestkosti pruzhin i massy tel imeyut proizvol'nye velichiny, to zachastuyu byvaet trudno dogadat'sya o konfiguracii mod i ih chastotah. Poetomu predstavlyaetsya vazhnym vooruzhit'sya universal'nym metodom, pozvolyayushim po edinoi sheme provesti posledovatel'nyi analiz lyuboi kolebatel'noi sistemy s dvumya stepenyami svobody, yavlyayusheisya sistemoi lyubyh svyazannyh oscillyatorov.
Zapishem uravneniya dvizheniya dvuh svyazannyh pruzhinnyh mayatnikov v vide:
(3.20) |
Razdeliv pervoe uravnenie na a vtoroe - na i ispol'zuya vyrazheniya (3.6) dlya parcial'nyh chastot, perepishem (3.20) sleduyushim obrazom:
(3.21) |
gde - koefficienty, zavisyashie ot zhestkosti pruzhiny svyazi. Obratim vnimanie, chto uravneniya (3.21) ne mogut reshat'sya po otdel'nosti, t.k. kazhdoe iz nih soderzhit i Poetomu celesoobrazno pereiti ot smeshenii i k novym funkciyam i nazyvaemym normal'nymi koordinatami. Smysl perehoda sostoit v poluchenii dvuh nezavisimyh uravnenii dvizheniya, kotorye mozhno reshat' po otdel'nosti.
Odnako, v obshem sluchae eti koordinaty naiti ne prosto. Poetomu dlya illyustracii takogo perehoda rassmotrim sistemu s odinakovymi massami i pruzhinami Poskol'ku parcial'nye chastoty sovpadayut a takzhe to sistema uravnenii (3.21) stanovitsya bolee prostoi. Slozhiv oba uravneniya, poluchaem:
(3.22a) |
gde - pervaya normal'naya koordinata. Vychitaya vtoroe uravnenie iz pervogo, nahodim:
(3.22b) |
gde - vtoraya normal'naya koordinata. Teper' uravneniya (3.22) nezavisimy. Pervoe iz nih opisyvaet kolebanie centra mass sistemy s chastotoi
(3.23) |
men'shei parcial'noi chastoty Vtoroe uravnenie opisyvaet izmenenie rasstoyaniya mezhdu dvumya massami s chastotoi
(3.24) |
prevyshayushei parcial'nuyu chastotu. Resheniya uravnenii (3.22) ochevidny:
(3.25a) |
(3.25b) |
Vozvrashayas' k funkciyam i poluchaem:
(3.26a) |
(3.26b) |
Chetyre velichiny opredelyayutsya iz nachal'nyh uslovii:
Proillyustrirovav perehod k normal'nym koordinatam, vernemsya k metodike analiza kolebanii v proizvol'nyh sistemah, opisyvaemyh uravneniyami (3.21).
Pust' v sisteme proishodit normal'noe kolebanie s neizvestnoi poka chastotoi i koefficientom raspredeleniya amplitud :
(3.27) |
Podstavim (3.27) v sistemu uravnenii (3.21). Togda poluchim sistemu iz dvuh algebraicheskih uravnenii:
(3.28) |
Sistema lineinyh odnorodnyh uravnenii (3.28) imeet otlichnye ot nulya resheniya tol'ko v tom sluchae, esli ee opredelitel' raven nulyu:
(3.29) |
Eto - kvadratnoe uravnenie otnositel'no prichem Poetomu, reshaya uravnenie (3.29), mozhno naiti normal'nye chastoty i Posle nahozhdeniya chastot ne sostavlyaet truda naiti konfiguraciyu mod, t.e. koefficienty raspredeleniya amplitud i Ih mozhno opredelit', naprimer, iz pervogo uravneniya (3.28), prichem ochevidno, chto dlya kazhdoi normal'noi chastoty ( ili ) eti koefficienty razlichny:
(3.30) |
Takim obrazom, uravnenie (3.29) i ravenstvo (3.30) pozvolyayut polnost'yu rasschitat' parametry kazhdoi iz dvuh mod. Dvizhenie kazhdoi iz mass, kak uzhe neodnokratno otmechalos', yavlyaetsya superpoziciei dvuh normal'nyh kolebanii:
gde amplitudy i i nachal'nye fazy i opredelyayutsya, kak i ran'she, iz nachal'nyh uslovii:
Raschet mod dlya lyuboi sistemy dvuh svyazannyh oscillyatorov chitatel' mozhet prodelat' samostoyatel'no.
Sootnoshenie mezhdu parcial'nymi i normal'nymi chastotami.
Dlya ustanovleniya svyazi mezhdu parcial'nymi i normal'nymi chastotami perepishem (3.29) v vide
(3.31) |
gde
(3.32) |
Bezrazmernyi koefficient svyazi \gamma mezhdu dvumya sistemami mozhet prinimat' znacheniya Esli iz (3.31) opredelit' normal'nye chastoty i to oni budut vyrazhat'sya cherez parcial'nye chastoty i i koefficient Eti chetyre chastoty budut raspolagat'sya na osi chastot v posledovatel'nosti, izobrazhennoi na ris. 3.9.
Ris. 3.9. |
Pri slaboi svyazi normal'nye chastoty blizki k parcial'nym, a pri sil'noi svyazi razlichie v chastotah stanovitsya sushestvennym. Eto horosho vidno, esli parcial'nye chastoty sovpadayut Togda (3.31) primet vid:
Otsyuda
(3.33) |
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|