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