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:
|