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
Kolebaniya sistem so mnogimi stepenyami svobody.
Osnovnye idei, sformulirovannye pri rassmotrenii kolebanii sistem s dvumya stepenyami
svobody, teper' mogut byt' s uspehom ispol'zovany dlya analiza kolebanii
sistem s tremya, chetyr'mya, stepenyami svobody, i v predele, pri
dlya analiza kolebanii v sploshnyh sredah, t.e. voln.
Obratimsya vnachale k kolebaniyam treh odinakovyh mass zakreplennyh na
ravnyh rasstoyaniyah
na natyanutom legkom rezinovom shnure, kak pokazano na
ris. 3.13a. Lyuboe kolebanie etoi sistemy mozhet byt' predstavleno kak
superpoziciya treh normal'nyh kolebanii s chastotami
i
Opuskaya na vremya vopros o velichine chastot,
naidem konfiguraciyu etih mod. Primem vo vnimanie, chto kvadrat chastoty
kolebanii kazhdoi massy v dannoi mode dolzhen byt' odinakov. Etogo mozhno
dobit'sya v sluchae, kogda otnosheniya vozvrashayushei sily k velichine massy
i ee
smesheniyu
u vseh gruzov budut odinakovymi. Takie usloviya realizuyutsya pri
smeshenii mass tremya sposobami (b, v i g na ris. 3.13). Pri otpuskanii gruzov
iz polozheniya (b) v sisteme budet proishodit' pervoe normal'noe kolebanie na
chastote
; iz polozheniya (v) - vtoroe na chastote
; iz polozheniya (g) - tret'e na chastote
Ochevidno, chto
![]() |
Ris. 3.13. |
Konfiguraciya kazhdoi iz mod mozhet byt' opisana s pomosh'yu dvuh koefficientov raspredeleniya amplitud. Zabegaya vpered, otmetim, chto dlya chetyreh mass takih koefficientov dolzhno byt' tri, i t.d.
Odnako situaciya mozhet byt' uproshena, esli obratit' vnimanie, chto
raspolozhenie mass v poziciyah (b), (v) i (g) na ris. 3.13 napominaet
"sinusoidal'noe" (punktirom izobrazhen fragment funkcii gde
- nekotoryi parametr, harakterizuyushii period etoi funkcii). Togda
konfiguraciya pervoi mody budet opisana sleduyushim obrazom:
![]() | (3.44a) |
Dlya vtoroi mody:
![]() | (3.44b) |
Dlya tret'ei mody:
![]() | (3.44v) |
Rol' bezrazmernyh koefficientov vypolnyaet funkciya
vychislennaya v tochkah
Drugimi primerami svyazannyh oscillyatorov yavlyayutsya atomy v molekulah
CO2, H2O i t. d. Na ris. 3.14 izobrazheny konfiguracii mod i
privedeny znacheniya chastot normal'nyh kolebanii molekul. Obratim vnimanie,
chto eti chastoty imeyut poryadok velichiny s-1 i
znachitel'no prevyshayut (na neskol'ko poryadkov) chastoty mehanicheskih kolebanii
makroskopicheskih sistem. Rezonansnye kolebaniya etih (i drugih) molekul mozhno
vozbudit' pri vzaimodeistvii raznoimenno zaryazhennyh ionov, sostavlyayushih eti
molekuly, s elektricheskim polem svetovoi elektromagnitnoi volny
infrakrasnogo (IK) diapazona, imeyushei blizkuyu chastotu.
![]() |
Ris. 3.14. |
V kurse "Optika" my poznakomimsya s takim vzaimodeistviem, privodyashim, v chastnosti, k oslableniyu (poglosheniyu) energii svetovoi volny i ee rasseyaniyu v srede s koleblyushimisya molekulami (kombinacionnomu rasseyaniyu).
Budem uvelichivat' chislo mass, zakreplennyh na shnure cherez ravnye promezhutki
a. Esli - chislo etih mass, to polnaya dlina shnura ravna
(ris. 3.15). Rasschitaem normal'nye chastoty vseh mod i ih konfiguracii. Budem
schitat', chto nevesomyi shnur natyanut s siloi
i pri malyh otkloneniyah mass
ot polozheniya ravnovesiya
eta sila ne menyaetsya. Kazhdaya massa
ispytyvaet deistvie sil natyazheniya shnura po obe storony ot nee.
![]() |
Ris. 3.15. |
Na ris. 3.16 pokazano mgnovennoe polozhenie fragmenta shnura i treh mass. Esli
ugly i
maly, to vozvrashayushaya sila, deistvuyushaya
na srednyuyu massu, ravna:
![]() | (3.45) |
![]() |
Ris. 3.16. |
Velichiny uglov i
opredelyayutsya vzaimnym
raspolozheniem mass:
![]() | (3.46) |
S uchetom (3.45) i (3.46) uravnenie dvizheniya srednei massy primet vid:
![]() | (3.47) |
Esli kolebaniya yavlyayutsya normal'nymi, to
![]() | (3.48) |
gde chastotu i raspredelenie amplitud predstoit opredelit'.
Podstavlyaya (3.48) v (3.47), poluchim
![]() | (3.49) |
Poskol'ku to (3.49) predstavlyaet soboi sistemu
lineinyh odnorodnyh uravnenii. Iz usloviya ravenstva nulyu ee opredelitelya
mozhno rasschitat' vse
normal'nyh chastot, a zatem dlya kazhdoi iz etih chastot
opredelit' raspredelenie amplitud v kazhdoi mode, chislo kotoryh, ochevidno,
budet ravno
My zhe ispol'zuem uzhe opisannyi ranee bolee legkii put' i budem iskat' konfiguraciyu kazhdoi mody v vide "sinusoidal'noi" konfiguracii:
![]() | (3.50) |
gde
Ubedimsya, chto konfiguraciya (3.50) udovletvoryaet uravneniyu (3.49), kotoroe perepishem v vide:
![]() | (3.51) |
gde
Podstavim (3.50) v levuyu chast' (3.51):
![]() | (3.52) |
Ochevidno, chto (3.50) udovletvorit uravneniyu (3.49), esli podobrat' dlya
dannogo podhodyashuyu chastotu
Parametr nazovem volnovym chislom. Ob'yasnenie etomu budet dano v
posleduyushih lekciyah. Etot parametr dolzhen byt' takim, chtoby na koncah
zakreplennogo shnura udovletvoryalis' granichnye usloviya. Pri
eti usloviya
vypolnyayutsya:
Na drugom konce, gde
potrebuem, chtoby
![]() | (3.53) |
otkuda poluchaem:
![]() | (3.54) |
gde celoe chislo harakterizuet nomer mody (kolichestvo mod,
kak bylo pokazano vyshe, ravno
). Kazhdoi p-oi mode sootvetstvuet svoya
chastota, kotoraya legko nahoditsya iz uravneniya (3.52):
![]() | (3.55) |
Znaya volnovye chisla i normal'nye chastoty
ne
sostavlyaet truda zapisat' vyrazheniya dlya smeshenii vseh mass, kak funkcii
vremeni. Dlya r-oi mody mozhno zapisat':
![]() | (3.56) |
zdes'
Amplituda i nachal'naya faza
opredelyayutsya nachal'nymi
usloviyami, a
i
- svoistvami samoi sistemy (formuly
3.54 i 3.55).
V silu lineinosti kolebatel'noi sistemy v samom obshem sluchae kolebanii poluchaem dlya smesheniya vseh chastic vyrazhenie:
![]() | (3.57) |
gde summirovanie provoditsya tol'ko po tem modam, kotorye "uchastvuyut" v kolebaniyah.
Tak, naprimer, uderzhivaya vse vremya srednyuyu massu v polozhenii ravnovesiya, my
ne mozhem vozbudit' mody s nechetnymi nomerami poskol'ku eti
mody "trebuyut" smesheniya central'noi massy.
Pol'zuyas' formuloi (3.55), netrudno vychislit' normal'nye chastoty koleblyushihsya mass na shnure.
Na ris. 3.17 izobrazheny mody kolebanii v sisteme s odnoi, dvumya i tremya massami i dlya kazhdoi mody ukazany velichiny normal'nyh chastot.
![]() |
Ris. 3.17. |
V zaklyuchenie otmetim, chto svyaz' tipa (3.55) mezhdu chastotoi i
volnovym chislom
nazyvaetsya dispersionnym sootnosheniem. Eto sootnoshenie
budet dalee ispol'zovano pri analize rasprostraneniya voln v periodicheskih
strukturah.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|