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:
|