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
Otrazhenie volny na konce shnura.
My uzhe upominali v nachale etoi lekcii, chto volna, dostignuv konca shnura, otrazitsya. Harakter etogo otrazheniya zavisit ot uslovii zakrepleniya konca shnura (granichnyh uslovii).
Rassmotrim vnachale bolee podrobno process otrazheniya impul'sa ot zakreplennogo konca shnura.
Na ris. 4.9 pokazany posledovatel'nye stadii otrazheniya impul'sa treugol'noi
formy, gde punktirom izobrazheny "padayushii" i "otrazhennyi" impul'sy. Esli
dlitel'nost' impul'sa ravna to ego protyazhennost' vdol' struny
ravna
Pust' v moment vremeni
on dobezhit do konca
struny. V posleduyushie momenty vremeni shnur budet vozdeistvovat' na
kronshtein, k kotoromu prikreplen ego konec, s peremennoi siloi,
perpendikulyarnoi napravleniyu dvizheniya impul'sa. Eta sila v moment vremeni
nachinaet tyanut' kronshtein vverh. V techenii vremeni
ona ostaetsya postoyannoi, i v moment vremeni
stanovitsya ravnoi nulyu. Po tret'emu zakonu N'yutona s takoi zhe siloi
kronshtein deistvuet vniz na konec shnura. V moment vremeni
shnur stanovitsya pryamym. Odnako chast' shnura dlinoi
prodolzhaet dvigat'sya vniz po inercii. Pri
shnur tyanet kronshtein vniz, i eto deistvie prekrashaetsya pri
Estestvenno, chto kronshtein vozdeistvuet na konec shnura s siloi,
napravlennoi vverh, tormozya dvizhenie ego elementov vniz. Okonchatel'no
poperechnoe deistvie shnura na kronshtein prekratitsya pri
kogda sformiruetsya otrazhennyi impul's, imeyushii protivopolozhnuyu (po otnosheniyu
k padayushemu) polyarnost'.
![]() |
Ris. 4.9. |
Esli po shnuru bezhit garmonicheskaya volna, to po dostizhenii zakreplennogo
konca shnura voznikaet obrashennaya otrazhennaya volna. Chtoby uchest' izmenenie ee
polyarnosti, v argument uravneniya otrazhennoi volny dobavlyayut fazovyi sdvig
Poetomu govoryat, chto v etom sluchae pri otrazhenii
faza volny skachkom menyaetsya na
ili "teryaetsya polvolny". V obshem
sluchae pri proizvol'nyh granichnyh usloviyah sdvig fazy
mozhet menyat'sya v intervale
Poyasnim
skazannoe prosteishim raschetom.
Pust' po shnuru bezhit garmonicheskaya volna. Dostignuv konca shnura pri ona budet otrazhat'sya (ris. 4.10). Smeshenie lyubogo uchastka struny,
imeyushego koordinatu
opredelyaetsya kak superpoziciya begushei i
otrazhennoi voln:
![]() | (4.33) |
![]() |
Ris. 4.10. |
V (4.33) uchteno, chto otrazhennaya volna, vo-pervyh, prohodit rasstoyanie "tuda
i obratno", ravnoe i,
vo-vtoryh, priobretaet sdvig fazy
pri ee otrazhenii.
Provedem summirovanie v (4.33) i poluchim:
![]() | (4.34) |
Polagaem, chto amplituda volny ostaetsya postoyannoi pri
rasprostranenii i ne menyaetsya pri otrazhenii.
Eto vyrazhenie yavlyaetsya uravneniem stoyachei volny. Osnovnye ee harakteristiki mogut byt' svedeny k sleduyushim:
1. V stoyachei volne vse uchastki shnura koleblyutsya s odinakovoi chastotoi
i v faze, odnako amplituda etih kolebanii menyaetsya vdol' shnura,
t.e. stoyachaya volna yavlyaetsya modoi kolebanii.
2. Amplituda kolebanii v stoyachei volne poluchaetsya iz (4.34) ravnoi:
![]() | (4.35) |
Iz etogo vyrazheniya vidno, chto nekotorye uchastki shnura koleblyutsya s
amplitudoi, ravnoi Eto tak nazyvaemye "puchnosti" stoyachei volny.
S drugoi storony, sushestvuyut uchastki, kotorye ostayutsya nepodvizhnymi, t. k.
dlya nih amplituda
Eto tak nazyvaemye "uzly" stoyachei volny.
Na ris 4.11 izobrazheny smesheniya fragmenta struny dlya treh posledovatel'nyh
momentov vremeni i
Netrudno pokazat', chto
rasstoyaniya mezhdu dvumya sosednimi uzlami, ukazannymi tochkami, ravno
rasstoyaniyu mezhdu dvumya sosednimi puchnostyami, otmechennymi krestikami, i
sostavlyaet velichinu
![]() |
Ris. 4.11. |
3. Vse chasti shnura, lezhashie mezhdu dvumya sosednimi uzlami, sovershayut
kolebaniya v faze. Pri perehode cherez uzel faza kolebanii skachkom izmenyaetsya
na chto sootvetstvuet izmeneniyu znaka
4. Na konce shnura amplituda
![]() | (4.36) |
Dlya zakreplennogo konca shnura i
Na
ris. 4.10 pokazan uchastok v polvolny, kotoryi "teryaetsya" pri takom
otrazhenii. Raspolozhennaya pravee etogo uchastka chast' volny, izobrazhennaya
punktirom v oblasti
posle povorota napravleniya rasprostraneniya
kak raz i budet yavlyat'sya volnoi, otrazhennoi v zakreplennoi tochke
Obratimsya teper' k otrazheniyu volny ot svobodnogo konca shnura. Tehnicheski eto
mozhno realizovat', esli konec shnura privyazat' k tonkoi i legkoi niti,
kotoraya sluzhit lish' dlya sozdaniya natyazheniya shnura s siloi
Process otrazheniya treugol'nogo impul'sa ot svobodnogo konca shnura pokazan na ris. 4.12. Obrashayut na sebya vnimanie dva obstoyatel'stva:
- Otrazhennyi impul's sohranyaet tu zhe polyarnost', chto i padayushii. Eto svyazano s tem, chto pri dvizhenii svobodnyi konec budet tyanut' vverh prilegayushie k nemu sleva uchastki shnura, i, v rezul'tate, budet vozbuzhden otrazhennyi impul's, v kotorom elementy shnura takzhe smesheny vverh. V sluchae garmonicheskoi volny otrazhennaya volna nahoditsya v faze s padayushei. Obrazuyushayasya stoyachaya volna budet opisyvat'sya uravneniem (4.34), v kotorom
- Konec shnura sovershaet "vzmah", velichina kotorogo vdvoe prevyshaet amplitudu impul'sa v ego seredine. Dlya garmonicheskoi volny na konce shnura
obrazuetsya puchnost' stoyachei volny. Eto sleduet iz formuly (4.36), v kotoroi sleduet polozhit'
![]() |
Ris. 4.12. |
Vozbuzhdenie stoyachih voln v shnure. Mody kolebanii.
Pust' kronshtein, k kotoromu privyazan levyi konec shnura, sovershaet garmonicheskie kolebaniya gde
- ochen' malaya amplituda. Poetomu
levyi konec shnura mozhno schitat' zakreplennym. Po shnuru pobezhit garmonicheskaya
volna (ris. 4.13), kotoraya posle otrazheniya ot pravogo zakreplennogo konca
priobretet sdvig fazy, ravnyi
Dobezhav do levogo konca, ona eshe raz
otrazitsya, a sdvig fazy stanet ravnym
![]() |
Ris. 4.13. |
Dvukratno otrazhennaya volna nalozhitsya na postoyanno begushuyu vpravo
garmonicheskuyu volnu. Esli sdvig fazy kolebanii u etih voln budet kratnym
velichine to rezul'tatom nalozheniya budet volna, amplituda kotoroi
prevyshaet amplitudu
ishodnoi begushei volny. Takim obrazom,
begushaya volna usilitsya. Esli by ne bylo poter' energii, to narastanie
amplitudy pri mnogokratnom otrazhenii bylo by neogranichennym. Odnako poteri,
kak my ne raz videli, takzhe uvelichatsya s rostom amplitudy. Poetomu kolebaniya
ustanovyatsya: v sistemu budet zakachano nekotoroe kolichestvo energii, a
dal'neishii pritok ee budet raven dissipacii.
Opredelim chastotu vneshnego vozdeistviya s kotoroi sleduet dvigat'
levyi kronshtein, chtoby obespechit' maksimal'noe usilenie volny. Poskol'ku
begushaya garmonicheskaya volna mozhet rassmatrivat'sya kak nabor sleduyushih drug
za drugom so skorost'yu
impul'sov raznoi polyarnosti, to my prosledim
za usileniem lyubogo iz nih (naprimer, zashtrihovannogo na ris. 4.13). Vremya
dvizheniya impul'sa (dlya opredelennosti tochki A v ego nachale) po shnuru tuda i
obratno ravno
Uchtem dalee, chto posle dvuh
otrazhenii etot impul's dva raza obratitsya. Dlya ego usileniya neobhodimo,
chtoby v moment
levyi konec shnura prohodil polozhenie
ravnovesiya i dvigalsya pri etom vverh:
![]() | (4.37) |
Poetomu chastota dolzhna udovletvoryat' usloviyu
![]() | (4.38) |
gde
Otsyuda
![]() | (4.39) |
Konfiguraciyu koleblyusheisya struny na chastotah (4.39) mozhno legko narisovat', kogda amplitudy begushei i otrazhennoi voln ne menyayutsya vdol' shnura i ravny mezhdu soboi. Ochevidno, chto eto budut stoyachie volny, rassmotrennye nami vyshe i sootvetstvuyushie odinakovym granichnym usloviyam: na oboih koncah shnura dolzhny byt' uzly smesheniya.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|