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
Nezatuhayushie garmonicheskie kolebaniya sistem s odnoi stepen'yu svobody.
Esli polozhenie sistemy mozhet byt' opisano odnim edinstvennym parametrom,
zavisyashim ot vremeni, to takaya sistema imeet odnu stepen' svobody. Primerami
takih sistem yavlyayutsya horosho izvestnye iz shkol'nogo kursa matematicheskii i
pruzhinnyi mayatniki, izobrazhennye na ris. 1.1, esli pervyi iz nih dvizhetsya v
odnoi ploskosti, a vtoroi - po pryamoi.
![]() |
Ris. 1.1. |
Dlya matematicheskogo mayatnika mozhet harakterizovat' libo uglovoe
smeshenie
, libo lineinoe smeshenie vdol' traektorii
tochechnoi massy
ot polozheniya ravnovesiya, a dlya pruzhinnogo
mayatnika
gde
- smeshenie massy m ot ee ravnovesnogo
polozheniya, izobrazhennogo punktirom.
Dvizhenie takih i podobnyh im sistem mozhno opisat' na osnove vtorogo zakona N'yutona:
![]() | (1.1) |
Esli prenebrech' vnachale silami soprotivleniya (v dal'neishem my uchtem ih
deistvie), to na massu matematicheskogo mayatnika budet deistvovat'
rezul'tiruyushaya sila
(
- sila natyazheniya niti), napravlennaya,
voobshe govorya, pod uglom k traektorii, a na massu
pruzhinnogo mayatnika,
lezhashego na gladkoi gorizontal'noi poverhnosti, - gorizontal'naya sila
, yavlyayushayasya funkciei smesheniya
ot polozheniya ravnovesiya.
Tak kak smeshenie v sluchae matematicheskogo mayatnika opredelyaetsya
tangencial'nym uskoreniem, to uravnenie (1.1) dlya oboih mayatnikov zapishetsya
v vide
![]() | (1.2) |
gde - dlina niti.
V pervom uravnenii ispol'zovana proekciya rezul'tiruyushei sily
na napravlenie skorosti v vide
V rassmatrivaemyh primerah vozvrashayushaya sila yavlyaetsya,
voobshe govorya, nelineinoi funkciei smesheniya
. Poetomu tochnoe reshenie
uravnenii (1.2), kotorye yavlyayutsya nelineinymi, poluchit' ne udaetsya. Dalee my
rassmotrim nekotorye primery takih nelineinyh kolebanii.
Zdes' zhe my budem schitat' smesheniya malymi po sravneniyu s dlinoi niti ili dlinoi nedeformirovannoi pruzhiny. Pri takih predpolozheniyah vozvrashayushaya sila proporcional'na smesheniyu:
![]() | (1.3) |
Vyrazhenie sleva zapisano pri uchete usloviya a sprava - s ispol'zovaniem zakona Guka,
spravedlivogo pri malyh deformaciyah pruzhiny s zhestkost'yu
.
S uchetom (1.3) uravneniya (1.2) primut odinakovyi vid:
![]() | (1.4) |
Razlichayutsya lish' koefficienty v pravyh chastyah etih uravnenii, kotorye chislenno ravny otnosheniyu vozvrashayushei sily pri edinichnom smeshenii k masse koleblyushegosya tela i imeyut razmernost' [s-2]. Esli ispol'zovat' oboznacheniya
![]() | (1.5) |
to uravneniya (1.4) primut vid uravneniya nezatuhayushih garmonicheskih kolebanii, ili uravneniya garmonicheskogo oscillyatora:
![]() | (1.6) |
Resheniem uravneniya (1.6) yavlyaetsya semeistvo garmonicheskih funkcii
![]() | (1.7) |
v chem legko ubedit'sya, dvazhdy prodifferencirovav funkciyu po vremeni:
![]() |
Zametim, chto esli uravnenie dvizheniya privoditsya k vidu (1.6), to ego
resheniem yavlyayutsya garmonicheskie funkcii (1.7) s chastotoi
ravnoi kornyu kvadratnomu iz koefficienta pri
.
Znacheniya etih garmonicheskih funkcii v nachal'nyi moment vremeni (pri )
opredelyayutsya nachal'noi fazoi
(sm. nizhe) i amplitudoi
kolebanii
U odnoi i toi zhe sistemy eti znacheniya mogut byt'
razlichnymi pri raznyh sposobah vozbuzhdeniya kolebanii.
Chtoby vozbudit' sobstvennye kolebaniya, nado vnachale (pri ) libo
otklonit' telo (zadat' nachal'noe smeshenie
), libo tolknut' ego (zadat'
nachal'nuyu skorost'
), libo sdelat' i to, i
drugoe odnovremenno. Znanie nachal'nyh uslovii (smesheniya i skorosti)
pozvolyaet opredelit' amplitudu
i nachal'nuyu fazu kolebanii
iz ochevidnyh uravnenii:
![]() | (1.8) |
![]() | (1.9) |
Reshenie etih uravnenii imeet vid:
![]() | (1.10) |
Vazhno otmetit', chto amplituda kolebanii ravnaya velichine
maksimal'nogo smesheniya tela ot polozheniya ravnovesiya, mozhet prevoshodit'
nachal'noe smeshenie
pri nalichii nachal'nogo tolchka.
Naryadu s krugovoi chastotoi kolebaniya harakterizuyutsya
ciklicheskoi chastotoi
ravnoi chislu
kolebanii za edinicu vremeni, i periodom kolebanii
ravnym dlitel'nosti odnogo kolebaniya.
Period garmonicheskih kolebanii (ravno kak i chastoty i
) ne zavisit ot nachal'nyh uslovii i raven
![]() | (1.11) |
Drugim primerom yavlyayutsya kolebaniya fizicheskogo mayatnika - tela
proizvol'noi formy massy , zakreplennogo na gorizontal'noi osi {\displaystyle O}' tak,
chto ego centr mass nahoditsya v tochke O, udalennoi ot osi na rasstoyanie
.
Pri otklonenii mayatnika ot vertikali na nebol'shoi ugol
on budet
sovershat' svobodnye garmonicheskie kolebaniya pod deistviem sily tyazhesti,
prilozhennoi k centru mass (ris. 1.2).
![]() |
Ris. 1.2. |
Esli izvesten moment inercii tela otnositel'no osi vrasheniya, to uravnenie
vrashatel'nogo dvizheniya zapishetsya v vide
![]() | (1.12) |
Esli schitat', chto pri vrashenii, naprimer, protiv chasovoi strelki ugol
uvelichivaetsya, to moment sily tyazhesti
vyzyvaet umen'shenie etogo
ugla i, sledovatel'no, pri
moment
Eto i otrazhaet znak
minus v pravoi chasti (1.12).
Dlya malyh uglov otkloneniya uravnenie (1.12) perehodit v uravnenie garmonicheskih kolebanii
![]() | (1.13) |
iz vida kotorogo srazu yasno, chto chastota i period
kolebanii
sootvetstvenno ravny
![]() | (1.14) |
Sravnivaya vyrazheniya dlya perioda kolebanii fizicheskogo (1.14) i matematicheskogo (1.11) mayatnikov, legko videt', chto oba perioda sovpadayut, esli
![]() | (1.15) |
Poetomu fizicheskii mayatnik harakterizuetsya privedennoi dlinoi (1.15), kotoraya ravna dline matematicheskogo mayatnika s takim zhe periodom kolebanii.
Period kolebanii fizicheskogo mayatnika (a, sledovatel'no, i ego privedennaya
dlina ) nemonotonno zavisit ot rasstoyaniya
. Eto legko zametit', esli
v sootvetstvii s