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:
|