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
Metod vektornyh diagramm.
Garmonicheskie kolebaniya (1.7) dopuskayut naglyadnuyu graficheskuyu interpretaciyu. Ee smysl sostoit v tom, chto kazhdomu garmonicheskomu kolebaniyu s chastotoi mozhno postavit' v sootvetstvie vrashayushiisya s uglovoi skorost'yu vektor, dlina kotorogo ravna amplitude a ego nachal'noe (startovoe) polozhenie zadaetsya uglom sovpadayushim s nachal'noi fazoi (ris. 1.5).
Ris. 1.5. |
Vertikal'naya proekciya vektora izmenyaetsya so vremenem: Mgnovennoe polozhenie vektora opredelyaetsya uglom kotoryi nazyvaetsya fazoi i raven:
(1.18) |
Pri uglovoi skorosti (krugovoi chastote) vektor sovershaet oborotov (ciklov) v sekundu, a prodolzhitel'nost' odnogo oborota (period) ravna otnosheniyu ugla k uglovoi skorosti
S pomosh'yu vektornyh diagramm legko osushestvit' slozhenie garmonicheskih kolebanii. Tak, esli neobhodimo slozhit' dva garmonicheskih kolebaniya s odinakovymi chastotami
to amplitudu i nachal'nuyu fazu summarnogo kolebaniya s toi zhe chastotoi mozhno legko rasschitat' iz ris. 1.6a, na kotorom graficheski izobrazhena operaciya slozheniya vektorov v moment vremeni
Yasno, chto vertikal'naya proekciya vektora budet takzhe izmenyat'sya po garmonicheskomu zakonu s chastotoi poskol'ku vzaimnoe raspolozhenie vektorov i ne izmenyaetsya s techeniem vremeni.
Ris. 1.6a. |
Iz etoi diagrammy naglyadno vidno, chto summarnoe kolebanie operezhaet po faze kolebanie i otstaet po faze ot kolebaniya Polnaya faza dlya kazhdogo iz treh kolebanii v proizvol'nyi moment vremeni otlichaetsya ot ih nachal'nyh faz na odnu i tu zhe velichinu kotoruyu pri postroenii vektornyh diagramm ne uchityvayut. Pri etom kolebanie izobrazhaetsya nepodvizhnym vektorom (ris. 1.6b), a chastota kolebaniya predpolagaetsya izvestnoi.
Ris. 1.6b. |
Slozhenie vzaimno-perpendikulyarnyh kolebanii.
Rassmotrim kolebatel'nuyu sistemu, sostoyashuyu iz tochechnogo gruza massy i chetyreh svyazannyh s nim pruzhin (ris. 1.7) - uslozhnennyi variant rassmotrennogo vyshe pruzhinnogo mayatnika.
Ris. 1.7. |
Esli massa dvizhetsya po gladkoi gorizontal'noi poverhnosti (na risunke pokazan vid sverhu), to ee mgnovennoe raspolozhenie opisyvaetsya dvumya smesheniyami iz polozheniya ravnovesiya - tochki O: i Takaya sistema obladaet dvumya stepenyami svobody. Budem schitat' smesheniya malymi, chtoby, vo-pervyh, vypolnyalsya zakon Guka, a, vo-vtoryh, pri smeshenii vdol' napravleniya deformacii pruzhin s zhestkost'yu ne privodili k skol'ko-nibud' zametnomu vkladu v vozvrashayushuyu silu Analogichno, pri smeshenii v perpendikulyarnom napravlenii vozvrashayushaya sila Pri takih usloviyah kolebaniya v dvuh vzaimno perpendikulyarnyh napravleniyah proishodyat nezavisimo drug ot druga:
(1.19) |
Zdes' sobstvennye chastoty garmonicheskih kolebanii ravny
(1.20) |
a amplitudy i nachal'nye fazy opredelyayutsya nachal'nymi usloviyami.
Pri vozbuzhdenii kolebanii v takoi sisteme pri proizvol'nom sootnoshenii sobstvennyh chastot i traektoriya koleblyushegosya gruza mozhet byt' chrezvychaino slozhnoi. Ee, v principe, mozhno proanalizirovat', prinimaya vo vnimanie tot fakt, chto rezul'tiruyushee dvizhenie gruza yavlyaetsya superpoziciei dvuh vzaimno-perpendikulyarnyh nezavisimyh kolebanii.
Rassmotrim vnachale dvizhenie gruza, esli (zhestkosti vseh pruzhin odinakovy). Chtoby poluchit' traektoriyu dvizheniya, isklyuchim iz (1.19) tekushee vremya. Dlya etogo perepishem (1.19) v vide:
(1.21) |
Umnozhim pervoe uravnenie (1.21) na a vtoroe - na i vychtem vtoroe uravnenie iz pervogo. V rezul'tate poluchim
(1.22a) |
Teper' umnozhim pervoe uravnenie na a vtoroe - na povtorim vychitanie i poluchim
(1.22b) |
Nakonec, vozvedem v kvadrat kazhdoe iz ravenstv (1.22) i slozhim ih. V rezul'tate vremya budet isklyucheno, a uravnenie traektorii dvizhushegosya gruza budet uravneniem ellipsa:
(1.23) |
Takim obrazom, v obshem sluchae gruz budet sovershat' periodicheskie dvizheniya po ellipticheskoi traektorii. Napravlenie dvizheniya vdol' traektorii i orientaciya ellipsa otnositel'no osei Os1 i Os2 zavisyat ot nachal'noi raznosti faz Na ris. 1.8 izobrazheny traektorii dvizheniya gruza pri razlichnyh znacheniyah
Ris. 1.8. |
Vse traektorii zaklyucheny v pryamougol'nik so storonami i Pri i gruz dvizhetsya po pryamoi linii. Pri i poluosi ellipsa sovpadayut s Os1 i Os2 (pri ellips vyrozhdaetsya v okruzhnost'). Pri raznosti faz gruz dvizhetsya po chasovoi strelke, a pri - protiv chasovoi strelki.
Tipichnym primerom dvumernogo oscillyatora (mayatnika) yavlyaetsya elektron v atome, kotoryi dvizhetsya vokrug yadra po ellipticheskoi orbite s periodom obrasheniya Mozhno schitat', chto takoi elektron odnovremenno sovershaet dva vzaimno-perpendikulyarnyh kolebaniya s chastotoi
Esli chastoty dvuh vzaimno-perpendikulyarnyh kolebanii ne sovpadayut, no yavlyayutsya kratnymi: gde i - celye chisla, to traektorii dvizheniya predstavlyayut soboi zamknutye krivye, nazyvaemye figurami Lissazhu (ris. 1.9). Otmetim, chto otnoshenie chastot kolebanii ravno otnosheniyu chisel tochek kasaniya figury Lissazhu k storonam pryamougol'nika, v kotoryi ona vpisana.
Ris. 1.9. |
Esli kratnost' mezhdu chastotami otsutstvuet, to traektorii ne yavlyayutsya zamknutymi i postepenno zapolnyayut ves' pryamougol'nik, napominaya nit' v klubke.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|