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
Negarmonicheskie kolebaniya matematicheskogo mayatnika.
Kolebaniya matematicheskogo mayatnika pri bol'shih amplitudah, kak uzhe otmechalos', ne budut garmonicheskimi. Eto proishodit potomu, chto vozvrashayushaya sila v pravoi chasti uravneniya (1.28) proporcional'na i pri bol'shih stanovitsya men'she toi "lineinoi" sily (proporcional'noi ), kotoraya vozvrashaet koleblyushuyusya massu v polozhenie ravnovesiya za neizmennoe vremya, ravnoe chetverti perioda kolebanii. Takaya "lineinaya" sila obespechivaet nezavisimost' etogo vremeni ot amplitudy t.e. izohronnost' kolebanii.Dlya analiza kolebanii pri bol'shih amplitudah zapishem razlozhenie v ryad:
(1.35) |
v kotorom otbrosheny chleny bolee vysokogo poryadka: i t.d. Podstanovka (1.35) v (1.28) privodit k nelineinomu uravneniyu kolebanii:
(1.36) |
Resheniem etogo uravneniya uzhe ne budet garmonicheskaya funkciya. Deistvitel'no, dopustim, chto resheniem uravneniya (1.36) budet garmonicheskoe kolebanie vida Podstavlyaya eto vyrazhenie v pravuyu chast' (1.36) i uchityvaya trigonometricheskoe tozhdestvo
(1.37) |
prihodim k protivorechiyu. Poluchaetsya tak, chto nelineinyi chlen v pravoi chasti uravneniya izmenyaetsya vo vremeni ne tol'ko s osnovnoi chastotoi no takzhe i s utroennoi chastotoi (chastotoi tret'ei garmoniki). Chtoby ustranit' eto protivorechie, budem schitat', chto kolebaniya mayatnika proishodyat odnovremenno na chastotah i tak, chto
(1.38) |
gde - bezrazmernyi parametr.
Podstavlyaya (1.38) v (1.36), snova obnaruzhivaem, chto nelineinyi chlen, pomimo dvuh chastot i menyaetsya vo vremeni i na chastote Eto govorit o tom, chto reshenie (1.38) ne yavlyaetsya polnym (v nem otsutstvuyut vysshie garmoniki i t.d.). Mezhdu tem, esli amplituda kolebanii ne ochen' velika, to parametr i otsutstvuyushie chleny s vysshimi garmonikami imeyut amplitudy i t. d., kotorye mnogo men'she amplitudy tret'ei garmoniki
Teper' rasschitaem chastotu Dlya prostoty polozhim (mayatnik poluchaet nachal'nyi tolchok v polozhenii ravnovesiya). Ispol'zuya (1.38), zapishem kazhdyi iz treh chlenov uravneniya (1.36), opuskaya slagaemye, imeyushie poryadok malosti i vyshe:
(1.39) | |
Zametim, chto v poslednem ravenstve tret'e slagaemoe v pravoi chasti, soderzhashee mnozhitel' malo po sravneniyu s dvumya predydushimi, i ego takzhe mozhno otbrosit'.
Slozhim poluchennye tri ravenstva. V silu (1.36), summa levyh chastei ravenstv (1.39) ravna nulyu. Poetomu
(1.40) |
Poskol'ku ravenstvo (1.40) dolzhno vypolnyat'sya dlya lyubogo momenta vremeni, to kazhdoe iz vyrazhenii, stoyashih v kruglyh skobkah, dolzhno ravnyat'sya nulyu. Iz ravenstva nulyu pervogo vyrazheniya legko opredelit' kvadrat chastoty osnovnoi garmoniki
(1.41) |
Esli to dlya chastoty poluchim
(1.42) |
Poslednee vyrazhenie pokazyvaet, chto s vozrastaniem amplitudy kolebanii ih chastota umen'shaetsya (period uvelichivaetsya), t.e. narushaetsya izohronnost' kolebanii.
Priravnyaem dalee nulyu vtoroe vyrazhenie v kruglyh skobkah v formule (1.40):
(1.43) |
Schitaya, chto nahodim velichinu malogo koefficienta :
(1.44) |
Esli polozhit' to i vklad tret'ei garmoniki v kolebaniya nichtozhno mal. Otlichie chastoty \omega ot chastoty garmonicheskih kolebanii sostavit velichinu
(1.45) |
Dazhe pri a Takim obrazom, priblizhennym resheniem uravneniya (1.36) budet (1.38), gde chastota opredelyaetsya (1.41), a parametr nahoditsya iz (1.44).
Zametim, chto negarmonicheskie kolebaniya mogut voznikat' ne tol'ko pri bol'shih otkloneniyah ot polozheniya ravnovesiya sistemy. Naprimer, esli v razlozhenii vozvrashayushei sily po stepenyam otsutstvuet lineinyi chlen, i ono nachinaetsya s chlena, proporcional'nogo to kolebaniya budut angarmonicheskimi pri lyubyh, dazhe skol' ugodno malyh otkloneniyah.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|