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
Lekciya 4
Rasprostranenie vozmushenii v sisteme s bol'shim chislom stepenei svobody. Skorost' rasprostraneniya. Vozbuzhdenie voln. Gruppa voln i ee skorost'. Volnovoe uravnenie. Volny v sploshnom shnure. Otrazhenie voln. Vozbuzhdenie stoyachih voln v shnure. Mody kolebanii. Volny v uprugih telah. Poperechnye volny. Energiya, perenosimaya volnoi. Vektor Umova. Prodol'nye volny. Skorost' voln v tonkom i tolstom sterzhnyah. Otrazhenie i prohozhdenie voln na granicah dvuh sred. Udel'noe volnovoe soprotivlenie.
Rasprostranenie vozmushenii v sisteme s bol'shim chislom stepenei svobody.
Rassmotrim kolebaniya mass na rezinovom shnure (ris. 4.1a). Otklonim
neskol'ko mass v seredine shnura ot polozheniya ravnovesiya (ris 4.1b), i zatem
otpustim ih v moment vremeni
Kak pokazyvaet opyt, eta nachal'naya
konfiguraciya, predstavlyayushaya soboi po forme impul's, s techeniem vremeni
transformiruetsya v dva odinakovyh impul'sa, kotorye pobegut v raznye storony
s nekotoroi konechnoi skorost'yu c (ris. 4.1v). Eti impul'sy dobegut do koncov
shnura, izmenyat svoyu polyarnost' pri otrazhenii i pobegut v obratnom
napravlenii (ris. 4.1g). Posle vstrechi v seredine shnura oni otrazyatsya eshe
raz, vosstanovyat ishodnuyu polyarnost' i spustya vremya
vnov' vstretyatsya v seredine, sformirovav ishodnyi impul's. Zatem etot
process s periodom
budet povtoryat'sya do teh por, poka impul'sy ne
zatuhnut iz-za dissipacii energii.
![]() |
Ris. 4.1. |
S tochki zreniya povsednevnogo opyta v etom net nichego udivitel'nogo, poskol'ku smesheniya gruppy mass vedut k vozniknoveniyu uprugih sil, stremyashihsya vernut' etu gruppu v polozhenie ravnovesiya i odnovremenno vyvesti sosednie chasticy iz polozheniya ravnovesiya.
S tochki zreniya opisaniya kolebanii "na yazyke mod" takzhe ponyatno, chto
otkloniv, a zatem otpustiv gruppu chastic, my vozbuzhdaem mnogo mod. Kolebaniya
vseh chastic proishodyat odnovremenno na neskol'kih normal'nyh chastotah
Vse eti chastoty razlichny, i summa normal'nyh kolebanii
predstavlyaet soboi bieniya. Poskol'ku cherez vremya, ravnoe periodu bienii,
kolebaniya gruppy chastic v centre shnura vosstanovyatsya, to ochevidno, chto
period bienii raven upominavshemusya neskol'ko ranee vremeni
Opredelim skorost' s, ishodya iz predstavleniya o bieniyah, kak superpozicii normal'nyh kolebanii. Dlya etogo vnachale perepishem dispersionnoe sootnoshenie (3.55) v vide
![]() | (4.1) |
Strogo govorya, pri nalichii mnogih chastot v spektre kolebanii, davaemyh
formuloi (4.1), bieniya ne budut periodicheskimi - nachal'naya konfiguraciya ne
povtoryaetsya. Vizual'no eto budet proyavlyat'sya v iskazhenii formy begushih
impul'sov, esli dlina impul'sa (impul's
"nakryvaet" malo chastic), a shnur dostatochno dlinnyi. Govoryat, chto
iskazhenie impul'sa svyazano s dispersiei "sredy" (shnura s massami), po
kotoroi impul's rasprostranyaetsya.
Eto iskazhenie budet nichtozhnym, esli (gruppa sostoit iz
bol'shogo chisla koleblyushihsya mass). Tak obychno i proishodit pri
rasprostranenii vozmushenii v tverdom tele, gde
(rasstoyanie mezhdu uzlami kristallicheskoi reshetki, okolo kotoryh koleblyutsya
atomy).
Esli to v spektre kolebanii dominiruyut nizshie mody,
kotorye harakterizuyutsya volnovymi chislami
gde
Chastoty etih mod poluchayutsya iz formuly (4.1):
![]() | (4.2) |
Zdes' ispol'zovano priblizhenie pri
Eta
zavisimost'
izobrazhena na ris. 4.2.
![]() |
Ris. 4.2. |
Obratim vnimanie, chto nizshie chastoty raspolagayutsya ekvidistantno:
Poetomu period bienii (sm. takzhe formulu (3.14)) poluchaetsya ravnym:
![]() | (4.3) |
Esli uchest', chto dlina shnura to skorost'
dvizheniya impul'sa v srede bez dispersii ravna:
![]() | (4.4) |
Esli my budem uvelichivat' chislo mass na shnure fiksirovannoi dliny, tem
samym umen'shaya rasstoyanie
to my sdelaem predel'nyi perehod k nepreryvnomu
raspredeleniyu mass - t.e. k odnorodnomu vesomomu shnuru, pri etom
![]() | (4.5) |
yavlyaetsya massoi edinicy dliny odnorodnogo shnura (inogda upotreblyayut termin "plotnost' edinicy dliny"). Poetomu okonchatel'no dlya skorosti rasprostraneniya impul'sa proizvol'noi formy po shnuru imeem
![]() | (4.6) |
Naprimer, v sluchae tonkogo rezinovogo shlanga s lineinoi plotnost'yu natyanutogo s siloi
skorost' dvizheniya
impul'sa poluchaetsya ravnoi
Takaya sravnitel'no nebol'shaya
velichina skorosti pozvolyaet legko nablyudat' rasprostranenie i otrazhenie
impul'sa.
Itak, podvedem nekotorye itogi.
1. Esli prenebrech' periodicheskoi strukturoi sredy, to skorost'
rasprostraneniya impul'sa ne zavisit ot ego formy, a sam impul's pri
rasprostranenii ne iskazhaetsya (net dispersii).
2. Esli os' x napravit' vdol' shnura i zadat' nachal'noe vozmushenie (v moment
) v vide
to s techeniem vremeni vozmushenie shnura budet imet' vid:
![]() | (4.7) |
Pervoe slagaemoe opisyvaet vozmushenie, begushee so skorost'yu v
polozhitel'nom napravlenii osi h, ukazannom na ris. 4.1, a vtoroe
sootvetstvuet impul'su, rasprostranyayushemusya v protivopolozhnom napravlenii.
3. U koncov nevesomogo shnura s massami oba impul'sa otrazhayutsya. Otrazhennyi
impul's imeet protivopolozhnuyu polyarnost' (napravlenie smesheniya ) po
sravneniyu s padayushim.
Analogichnye granichnye usloviya realizuyutsya dlya sploshnogo massivnogo shnura s zakreplennymi koncami (ris. 4.3).
![]() |
Ris. 4.3. |
4. V oblasti perekrytiya begushih impul'sov obrazuetsya kolebanie, nazyvaemoe stoyachei volnoi. Tak my prihodim k ponyatiyam begushih i stoyachih voln, pri etom stoyachaya volna mozhet rassmatrivat'sya kak superpoziciya voln, begushih v protivopolozhnyh napravleniyah.
Vozbuzhdenie voln.
Rassmotrim kolebaniya nevesomogo shnura s gruzami, pravyi
konec kotorogo zakreplen, a levyi pod deistviem vneshnei sily v moment
vremeni nachinaet smeshat'sya po garmonicheskomu zakonu:
![]() | (4.8) |
Pod deistviem etoi sily gruzy, svyazannye drug s drugom otrezkami natyanutogo
shnura, rano ili pozdno nachnut sovershat' vynuzhdennye garmonicheskie kolebaniya
s chastotoi Estestvenno, chto sistemu gruzov (po analogii s
sistemoi s dvumya gruzami) mozhno zametno raskachat' lish' v sluchae rezonansa,
kogda chastota
sovpadaet s odnoi iz normal'nyh chastot
Vnachale pridut v dvizhenie gruzy vblizi levogo podvizhnogo konca shnura, a s techeniem vremeni v kolebaniya budut vovlekat'sya vse novye gruzy.
Takie kolebaniya predstavlyayut soboi volnovoi process (volnu),
rasprostranyayushiisya "sleva - napravo" s nekotoroi skorost'yu Na
ris. 4.4 izobrazheny polozheniya koleblyushihsya mass v nekotoryi moment vremeni
Poskol'ku gruzy koleblyutsya "poperek" napravleniya rasprostraneniya
(osi Oh), to volna nazyvaetsya poperechnoi. Eta volna dobezhit do pravogo
zakreplennogo konca shnura i otrazitsya. Posle etogo budut sushestvovat' dve
volny: ishodnaya begushaya (inogda ee nazyvayut padayushei volnoi) i otrazhennaya
volna, kotoraya bezhit navstrechu padayushei. Spustya vremya
otrazhennaya volna dostignet levogo konca, snova otrazitsya, i
"sformiruetsya" moda kolebanii. Konfiguraciya etoi mody zadaetsya volnovym
chislom
(sm. sootnoshenie (4.1)).
![]() |
Ris. 4.4. |
Rassmotrim podrobnee padayushuyu volnu s etim Prostranstvennyi period
izobrazhennyi na ris. 4.4 kak minimal'noe rasstoyanie mezhdu
massami, koleblyushimisya v faze, nazyvaetsya dlinoi volny. Dlina volny svyazana
s volnovym chislom
sootnosheniem:
![]() | (4.9) |
Esli sily vyazkogo treniya, prilozhennye k kazhdomu iz gruzov, maly, to
amplitudy kolebanii vseh gruzov budut odinakovy i ravny Teper' my
mozhem zapisat' uravnenie begushei volny - uravnenie, opisyvayushee smeshenie
lyuboi iz mass v proizvol'nyi moment vremeni. Dlya chastoty
volnovogo chisla
i amplitudy
ono imeet vid:
![]() | (4.10) |
Vyrazhenie nazyvaetsya fazoi volny.
Uravnenie (4.10) otrazhaet tot fakt, chto vse massy koleblyutsya s odinakovoi
chastotoi
imeyut odinakovuyu amplitudu
odnako eti
kolebaniya razlichayutsya po faze
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|