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:
|