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











