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
Zatuhanie kolebanii.
Esli energiya ne podvoditsya izvne, to kolebaniya svyazannyh oscillyatorov budut zatuhat'. Poskol'ku sila vyazkogo treniya proporcional'na skorosti, to uravneniya (3.21) s uchetom zatuhaniya primut vid:
![]() | (3.34) |
Zdes' i
- koefficienty zatuhaniya dlya pervogo i vtorogo oscillyatorov. Esli
iskat' reshenie etoi sistemy v vide normal'nyh zatuhayushih kolebanii:
![]() | (3.35) |
to posle podstanovki (3.35) v (3.34) mozhno naiti normal'nuyu chastotu
, koefficient zatuhaniya
i konfiguraciyu
kazhdoi iz
dvuh mod. Opuskaya promezhutochnye vykladki, otmetim, chto pri
i
(slaboe zatuhanie) normal'nye
chastoty i raspredelenie amplitud v modah budut blizki k tem, chto i v
otsutstvie zatuhaniya. Dlya koefficienta zatuhaniya
poluchaetsya
vyrazhenie:
![]() | (3.36) |
Mozhno videt', chto pri proizvol'nom sootnoshenii mezhdu i
koefficienty zatuhaniya mod
i
poluchaemye iz (3.36) pri
i
budut razlichnymi.
Esli parcial'nye chastoty sovpadayut to
![]() | (3.37) |
Esli a
to
![]() | (3.38) |
Poslednim rezul'tatom my vospol'zuemsya pri rassmotrenii dissipacii energii v svyazannoi kolebatel'noi sisteme.
Energiya kolebatel'noi sistemy i ee dissipaciya.
Rassmotrim kolebaniya dvuh odinakovyh mass (ris. 3.10a), zakreplennyh na rastyanutom legkom rezinovom shnure.
![]() |
Ris. 3.10. |
Esli odin iz gruzov ottyanut' na rasstoyanie (b) i zatem
odnovremenno otpustit' obe massy, to ih kolebaniya budut imet' vid bienii. S
drugoi storony, pri etih nachal'nyh usloviyah budut vozbuzhdeny dve mody (v i
g) s odinakovymi amplitudami kolebanii obeih mass, ravnymi
Energiya, zapasennaya v pervoi mode, ravna summe kineticheskih energii obeih
mass pri prohozhdenii imi polozheniya ravnovesiya so skorost'yu
t.e.:
![]() | (3.39a) |
a energiya vtoroi mody, analogichno, ravna
![]() | (3.39b) |
Vazhno otmetit', chto energoobmen mezhdu modami otsutstvuet, a polnaya energiya
sistemy ravna summe energii ee mod. V to zhe vremya v processe bienii energiya
pervogo oscillyatora za vremya, ravnoe polovine perioda bienii, "peretekaet"
ko vtoromu oscillyatoru i zatem za takoe zhe vremya vozvrashaetsya obratno.
Polnyi energoobmen mezhdu oscillyatorami vozmozhen lish' togda, kogda obe massy
odinakovy i otnoshenie ravno celomu chislu
t.e.:
![]() | (3.40) |
Sledovatel'no, chastota dolzhna byt' kratnoi chastote bienii. V
samom dele, pri vypolnenii usloviya (3.40) kazhdaya iz mass budet periodicheski
ostanavlivat'sya v polozhenii ravnovesiya (kak sleduet iz formul (3.17)). S
techeniem vremeni kolebaniya budut zatuhat', i budet eksponencial'no
umen'shat'sya energiya, zapasennaya v modah:
![]() | (3.41a) |
![]() | (3.41b) |
Vazhno podcherknut', chto cherez vremya
energiya kazhdoi iz mod umen'shitsya v e raz, pri etom protivofaznaya moda
"poteryaet" bol'she energii, chem sinfaznaya, poskol'ku nachal'naya energiya
u nee byla bol'she, chem
(sm. (3.39)).
Vynuzhdennye kolebaniya.
Rassmotrim osnovnye zakonomernosti vynuzhdennyh
ustanovivshihsya kolebanii v sisteme, izobrazhennoi na ris. 3.11, esli na levuyu
massu deistvuet sila
Uravneniya dvizheniya v etom sluchae budut otlichat'sya ot (3.34) nalichiem etoi
sily v pravoi chasti pervogo uravneniya:
![]() | (3.42) |
Netrudno dogadat'sya, chto resheniyami etoi sistemy v ustanovivshemsya rezhime yavlyayutsya garmonicheskie funkcii
![]() | (3.43) |
kotorye otrazhayut tot fakt, chto obe massy koleblyutsya na chastote vynuzhdayushei sily. Podstavlyaya (3.43) v (3.42), mozhno vychislit' amplitudy i fazy vynuzhdennyh kolebanii. My ogranichimsya lish' obsuzhdeniem rezul'tatov.
![]() |
Ris. 3.11. |
Na ris. 3.12 izobrazhena AChH dlya pervogo oscillyatora, k kotoromu prilozhena
sila. Obrashaet na sebya vnimanie nalichie dvuh rezonansov, kotorye pri malom
zatuhanii nablyudayutsya na normal'nyh chastotah i
. Pri izmenenii chastoty
ot
do
amplituda
padaet i dostigaet minimuma na vtoroi parcial'noi
chastote
pri etom s umen'sheniem zatuhaniya amplituda na etoi
chastote stremitsya k nulyu. Eto obstoyatel'stvo ispol'zuyut dlya podavleniya
otklika sistemy na deistvie vneshnei sily. V radiotehnike, gde ispol'zuyutsya
svyazannye kolebatel'nye kontury, ih primenyayut kak fil'try i dempfery.
![]() |
Ris. 3.12. |
Dva rezonansa imeyut mesto i dlya smesheniya vtoroi massy. Esli
proanalizirovat' otnoshenie amplitud
v zavisimosti ot
chastoty
to okazyvaetsya, chto eto otnoshenie vblizi chastoty
ravno koefficientu raspredeleniya amplitud
dlya
pervoi mody, a vblizi chastoty
- koefficientu raspredeleniya
amplitud
dlya vtoroi mody. Eto ispol'zuetsya dlya
opredeleniya etih koefficientov, poskol'ku pri vynuzhdennyh kolebaniyah eto
sdelat' proshe, chem pri sobstvennyh.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|