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
Svobodnye kolebaniya v dissipativnyh sistemah s vyazkim treniem.
V real'nyh sistemah vsegda proishodit dissipaciya energii. Esli poteri energii ne budut kompensirovat'sya za schet vneshnih ustroistv, to kolebaniya s techeniem vremeni budut zatuhat' i cherez kakoe-to vremya prekratyatsya voobshe.
Formal'no zatuhayushie kolebaniya opisyvayutsya uravneniem
(1.46) |
kotoroe, v otlichie ot (1.2), pomimo vozvrashayushei sily soderzhit i silu treniya Sila soprotivleniya dvizheniyu, voobshe govorya, zavisit kak ot napravleniya skorosti (naprimer, pri suhom trenii), tak i ot velichiny skorosti (pri dvizhenii v vyazkoi srede). Esli vozvrashayushaya sila proporcional'na smesheniyu: gde - koefficient proporcional'nosti (dlya pruzhinnogo mayatnika - zhestkost' pruzhiny), to uravnenie (1.46) mozhno perepisat' v vide
(1.47) |
gde - sobstvennaya chastota nezatuhayushih garmonicheskih kolebanii.
Vnachale my rassmotrim zatuhayushie kolebaniya v sluchae, kogda na koleblyusheesya telo deistvuet sila vyazkogo treniya, proporcional'naya skorosti: Takaya situaciya mozhet imet' mesto, naprimer, pri kolebatel'nom dvizhenii tela v vozduhe ili zhidkosti, kogda chislo Reinol'dsa ili . Togda uravnenie (1.47) mozhno zapisat' v vide:
(1.48) |
gde - koefficient, ili pokazatel' zatuhaniya.
Obshaya ideya resheniya odnorodnyh lineinyh uravnenii tipa (1.48) zaklyuchaetsya v sleduyushem: v kachestve funkcional'noi zavisimosti nado vybrat' takuyu, kotoraya pri differencirovanii po vremeni perehodit v samu sebya, to est' eksponentu: Podstavim ee v uravnenie (1.48):
(1.49) |
Poskol'ku poluchaem tak nazyvaemoe "harakteristicheskoe" uravnenie:
(1.50) |
kotoroe v dannom sluchae (dlya uravneniya vtorogo poryadka) imeet dva kornya
(1.51) |
a samo uravnenie (1.48) - dva nezavisimyh resheniya: i V silu lineinosti uravneniya (1.48) summa lyubyh ego reshenii takzhe yavlyaetsya resheniem, to est' spravedliv tak nazyvaemyi "princip superpozicii" reshenii, i obshim resheniem dannogo uravneniya yavlyaetsya
(1.52) |
Reshenie soderzhit dve nezavisimye konstanty i kotorye opredelyayutsya iz nachal'nyh uslovii
V zavisimosti ot sootnosheniya i vozmozhny tri sluchaya.
Esli to gde - "mnimaya" edinica. Reshenie yavlyaetsya kompleksnym1, no, poskol'ku nachal'nye usloviya deistvitel'nye, to s pomosh'yu formuly Eilera:
(1.53) |
netrudno pokazat', chto obshee reshenie budet deistvitel'no i mozhet byt' zapisano v vide:
(1.54) |
to est' predstavlyaet soboi zatuhayushie kolebaniya, chastota kotoryh men'she, chem u sobstvennyh nezatuhayushih kolebanii:
(1.55) |
Kolebaniya, opisyvaemye (1.54), ne yavlyayutsya garmonicheskimi (ris. 1.14). Pod ih amplitudoi budem ponimat' velichinu
(1.56) |
kotoraya monotonno ubyvaet so vremenem. "Dlitel'nost'" kolebanii harakterizuetsya vremenem zatuhaniya
(1.57) |
Ris. 1.14. |
Esli podstavit' v (1.56), to legko videt', chto po istechenii vremeni zatuhaniya amplituda ubyvaet v e raz. Kolichestvo sovershennyh sistemoi kolebanii za vremya ravno otnosheniyu etogo vremeni k periodu zatuhayushih kolebanii Esli zatuhanie v sisteme malo to period kolebanii i chislo etih kolebanii veliko:
(1.58) |
Eksponencial'nyi zakon ubyvaniya amplitudy so vremenem pozvolyaet vvesti bezrazmernyi parametr - logarifmicheskii dekrement zatuhaniya kotoryi raven logarifmu otnosheniya dvuh posledovatel'nyh otklonenii v odnu i tu zhe storonu:
(1.59) |
Iz (1.57), (1.58) i (1.59) nahodim:
(1.60) |
Logarifmicheskii dekrement zatuhaniya mozhno ocenit', esli podschitat' chislo kolebanii, sovershennyh sistemoi za vremya zatuhaniya to est' do umen'sheniya amplitudy kolebanii primerno v 3 raza. Chem bol'she chislo etih kolebanii, tem men'she poteri energii v sisteme.
Prosledim za ubyvaniem energii, zapasennoi oscillyatorom, s techeniem vremeni. Ispol'zuya (1.54), zapishem po analogii s (1.24) i (1.25) vyrazheniya dlya potencial'noi i kineticheskoi energii oscillyatora:
(1.61) |
(1.62) |
Zametim, chto, strogo govorya, skorost' ravna
(1.63) |
Ochevidno, chto esli to pervym slagaemym v (1.63) mozhno prenebrech' i zapisat' vyrazhenie dlya kineticheskoi energii v vide (1.62). Summarnaya energiya oscillyatora ubyvaet so vremenem:
(1.64) |
Primem vo vnimanie, chto pri chastota Tak kak to (1.64) okonchatel'no zapishetsya v vide
(1.65) |
Polnaya energiya oscillyatora, ravnaya vnachale monotonno ubyvaet so vremenem po eksponencial'nomu zakonu i umen'shaetsya v e raz za vremya
(1.66) |
"Kachestvo" kolebatel'noi sistemy harakterizuyut bezrazmernym parametrom nazyvaemym dobrotnost'yu. Dobrotnost' proporcional'na otnosheniyu zapasennoi energii k energii teryaemoi za period (ris. 1.15):
(1.67) |
Esli chislo kolebanii veliko, to Togda
(1.68) |
Pri eksponencial'nom zakone ubyvaniya energii so vremenem dobrotnost' okazyvaetsya postoyannoi velichinoi, kotoruyu, kak i logarifmicheskii dekrement zatuhaniya mozhno legko ocenit' po chislu kolebanii sovershennyh sistemoi do ih polnogo prekrasheniya (za vremya amplituda kolebanii umen'shaetsya v raz, to est' kolebaniya prakticheski polnost'yu zatuhayut).
Ris. 1.15. |
Sleduet otmetit', chto dobrotnost' ne tol'ko harakterizuet zatuhanie kolebanii, no i yavlyaetsya vazhnoi velichinoi, opredelyayushei parametry vynuzhdennyh kolebanii, osushestvlyaemyh pod deistviem vneshnei periodicheskoi sily (sm. dalee).
1Bolee podrobno metod kompleksnyh amplitud budet obsuzhdat'sya nizhe, pri rassmotrenii vynuzhdennyh kolebanii.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|