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
Fazovyi portret kolebatel'noi sistemy.
V lyuboi kolebatel'noi sisteme s odnoi stepen'yu svobody smeshenie i skorost' menyayutsya so vremenem. Sostoyanie sistemy v kazhdyi moment vremeni mozhno harakterizovat' dvumya znacheniyami i i na ploskosti etih peremennyh eto sostoyanie odnoznachno opredelyaetsya polozheniem izobrazhayushei tochki P s koordinatami i . S techeniem vremeni izobrazhayushaya tochka P budet peremeshat'sya po krivoi, kotoruyu nazyvayut fazovoi traektoriei dvizheniya (ris. 1.10).
Ris. 1.10. |
Ploskost' peremennyh i nazyvaetsya fazovoi ploskost'yu. Semeistvo fazovyh traektorii obrazuet fazovyi portret kolebatel'noi sistemy. Analiz fazovogo portreta daet hotya i ne polnuyu, no obshirnuyu informaciyu o kolebatel'noi sisteme. K postroeniyu takogo portreta pribegayut togda, kogda ne udaetsya reshit' analiticheski uravnenie, opisyvayushee slozhnye kolebaniya. V pervuyu ochered' eto otnositsya k nelineinym kolebaniyam, analiz kotoryh zatrudnen iz-za otsutstviya tochnyh reshenii nelineinyh uravnenii.
Vnachale proillyustriruem skazannoe na primere prosteishih garmonicheskih kolebanii vida Poskol'ku skorost' operezhaet smeshenie po faze na to fazovaya traektoriya budet ellipsom. Tochka P budet dvigat'sya po ellipticheskoi traektorii po chasovoi strelke (pri smeshenie uvelichivaetsya, a pri - umen'shaetsya (ris. 1.11)).
Ris. 1.11. |
Parametry ellipsa opredelyayutsya energiei, zapasennoi garmonicheskim oscillyatorom. Potencial'naya energiya pruzhinnogo mayatnika proporcional'na kvadratu smesheniya:
(1.24) |
Kineticheskaya energiya proporcional'na kvadratu skorosti:
(1.25) |
Esli prinyat' vo vnimanie ravenstvo to legko videt', chto vzaimoprevrasheniya odnogo vida energii v drugoi za period proishodyat dvazhdy. Pri etom polnaya energiya sistemy ostaetsya postoyannoi:
(1.26) |
Ravenstvo (1.26) kak raz i yavlyaetsya uravneniem ellipsa, kotoroe mozhno perepisat' v bolee udobnom vide:
(1.27) |
Fazovyi portret garmonicheskogo oscillyatora predstavlyaet soboi semeistvo ellipsov, kazhdomu iz kotoryh sootvetstvuet energiya zapasennaya oscillyatorom. Polozhenie ravnovesiya v tochke 0 na fazovoi ploskosti yavlyaetsya osoboi tochkoi i nazyvaetsya osoboi tochkoi tipa "centr".
S uvelicheniem energii vozrastayut amplitudy kolebanii smesheniya i skorosti Kolebaniya, kak pravilo, perestayut byt' garmonicheskimi, a fazovye traektorii - ellipsami.
Ris. 1.12. |
Proanaliziruem na fazovoi ploskosti kolebaniya matematicheskogo mayatnika pri proizvol'nyh uglah otkloneniya ot polozheniya ravnovesiya. Pri etom budem schitat', chto tochechnaya massa prikreplena ne k niti, a k zhestkomu nevesomomu sterzhnyu dliny Pervoe iz uravnenii (1.2) zapishem v vide
(1.28) |
Eto nelineinoe uravnenie ne imeet tochnogo analiticheskogo resheniya, poetomu pozdnee my privedem ego priblizhennoe reshenie. Odnako mnogie zakonomernosti takih kolebanii mozhno proanalizirovat' s ispol'zovaniem fazovogo portreta na ploskosti S etoi cel'yu uravnenie (1.28) nado preobrazovat' k takomu vidu, chtoby v nem ostalis' tol'ko eti peremennye, a vremya bylo by isklyucheno. Dlya etogo uglovoe uskorenie v levoi chasti (1.28) preobrazuem k vidu:
(1.29) |
Podstavlyaya (1.29) v (1.28), poluchim
(1.30) |
Uravnenie (1.30) otrazhaet tot fakt, chto prirashenie kineticheskoi energii mayatnika ravno ubyli ego potencial'noi energii v pole sily tyazhesti. Integriruya (1.30), poluchim
(1.31) |
Esli prinyat', chto potencial'naya energiya mayatnika v polozhenii ravnovesiya ravna nulyu, to konstanta vyrazhaetsya cherez zapasennuyu mayatnikom energiyu ( - uglovaya skorost' mayatnika v polozhenii ravnovesiya):
(1.32) |
Uravnenie fazovoi traektorii (1.31) okonchatel'no zapishetsya v vide:
(1.33) |
Pri etom potencial'naya i kineticheskaya energii zadayutsya vyrazheniyami
(1.34) |
Ispol'zuya (1.33), postroim fazovyi portret sistemy (ris. 1.13).
Ris. 1.13. |
Otchetlivo vidny dva tipa fazovyh traektorii, sootvetstvuyushie dvum tipam dvizheniya. Zamknutye traektorii, okruzhayushie osobye tochki tipa "centr" s koordinatami ( - celoe chislo), sootvetstvuyut kolebaniyam mayatnika otnositel'no ustoichivogo nizhnego polozheniya ravnovesiya. Takie kolebaniya imeyut mesto, esli energiya sistemy (sm. ris. 1.13). Pri etom, esli to kolebaniya budut garmonicheskimi, a fazovye traektorii - ellipsami. Esli to kolebaniya budut negarmonicheskimi. Pri uvelichenii energii, a, znachit, i amplitudy kolebanii oscillyatora, ih period budet vozrastat', poskol'ku vozvrashayushaya sila v uravnenii (1.28) men'she, chem v sluchae garmonicheskogo oscillyatora.
Verhnemu polozheniyu ravnovesiya s koordinatami sootvetstvuyut osobye tochki tipa "sedlo". Fazovye krivye, prohodyashie cherez "sedla", sootvetstvuyut energii i nazyvayutsya separatrisami.
Esli, nakonec, to poluchayutsya nezamknutye (ubegayushie) traektorii, sootvetstvuyushie vrashatel'nomu dvizheniyu mayatnika.
Takim obrazom, separatrisy razdelyayut fazovuyu ploskost' na dve oblasti: oblast' zamknutyh traektorii i oblast' traektorii, prihodyashih iz beskonechnosti i uhodyashih v beskonechnost'.
Otmetim, chto dlya negarmonicheskih kolebanii nel'zya upotreblyat' termin "krugovaya chastota", poskol'ku, kak budet pokazano nizhe, takie kolebaniya yavlyayutsya, kak pravilo, superpoziciei garmonicheskih kolebanii s razlichnymi chastotami. Period zhe yavlyaetsya po-prezhnemu odnoi iz glavnyh harakteristik kolebanii. Fazovyi portret ne pozvolyaet opredelit', kak bystro dvizhetsya tochka R po traektorii. Odnako period nelineinyh kolebanii matematicheskogo mayatnika mozhno poluchit' na osnove priblizhennogo resheniya uravneniya (1.28).
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|