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
Lekciya 2
Vynuzhdennye kolebaniya pod deistviem garmonicheskoi sily. Rezhimy medlennyh, bystryh i rezonansnyh kolebanii. Amplitudno-chastotnye i fazo-chastotnye harakteristiki. Ballisticheskii rezhim kolebanii. Ustanovlenie kolebanii. Harakteristiki razlichnyh kolebatel'nyh sistem. Parametricheskie kolebaniya. Avtokolebaniya.
V predydushei lekcii my rassmotreli svobodnye zatuhayushie kolebaniya, voznikayushie pri nachal'nom kratkovremennom vozdeistvii vneshnih sil na kolebatel'nuyu sistemu. Mezhdu tem, v povsednevnoi praktike my stalkivaemsya s nezatuhayushimi kolebaniyami, dlya podderzhaniya kotoryh neobhodimo podvodit' energiyu k kolebatel'noi sisteme, chtoby kompensirovat' ee energeticheskie poteri.
Odnim iz rasprostranennyh sposobov podderzhaniya nezatuhayushih kolebanii yavlyaetsya nepreryvnoe vozdeistvie na koleblyushuyusya massu periodicheskoi sily (vynuzhdayushei sily)
(2.1) |
menyayusheisya vo vremeni , voobshe govorya, proizvol'no v predelah perioda dlitel'nost'yu . Esli, naprimer, takuyu silu prilozhit' k koleblyusheisya masse opisannogo vyshe pruzhinnogo mayatnika (ris. 2.1), to uravnenie ee dvizheniya primet vid:
(2.2) |
Ris. 2.1. |
Opyt pokazyvaet, chto esli sila vnezapno nachinaet deistvovat' (naprimer, v moment vremeni ), to mayatnik nachnet postepenno raskachivat'sya, i spustya kakoe-to vremya ego kolebaniya ustanovyatsya. Po poryadku velichiny vremya ustanovleniya takih vynuzhdennyh kolebanii budet sovpadat' s vremenem zatuhaniya Dalee my skoncentriruem vnimanie imenno na ustanovivshihsya kolebaniyah. Estestvenno, chto parametry takih kolebanii budut zaviset' ot konkretnogo vida sily Iz matematiki horosho izvestno, chto lyubuyu periodicheskuyu funkciyu mozhno predstavit' v vide ryada Fur'e:
(2.3) |
Fizicheskii smysl etogo predstavleniya sostoit v tom, chto periodicheskoe vozdeistvie ekvivalentno odnovremennomu vozdeistviyu postoyannoi sily i nabora garmonicheskih sil s sootvetstvuyushimi amplitudami nachal'nymi fazami i chastotami kratnymi nizshei (osnovnoi) chastote
Chtoby poluchit' polnuyu kartinu vynuzhdennyh kolebanii pod deistviem sily (2.3), neobhodimo prinyat' vo vnimanie lineinost' uravneniya (2.2). Eto pozvolyaet predstavit' ego reshenie kak summu garmonicheskih kolebanii:
(2.4) |
proishodyashih s ustanovivshimisya amplitudami i fazami na chastotah sootvetstvuyushih garmonik vynuzhdayushei sily (2.3). Kazhdoe slagaemoe v (2.4) mozhet rassmatrivat'sya kak vynuzhdennoe garmonicheskoe kolebanie, proishodyashee pod deistviem vneshnei garmonicheskoi sily s amplitudoi i chastotoi
Amplitudy i fazy trebuyut opredeleniya, i my pereidem seichas k ih nahozhdeniyu.
Vynuzhdennye kolebaniya pod deistviem garmonicheskoi sily.
Pust' vneshnyaya sila menyaetsya po garmonicheskomu zakonu
(2.5) |
Uravnenie (2.2) v etom sluchae prinimaet vid:
(2.6) |
Pod deistviem etoi sily mayatnik v ustanovivshemsya rezhime budet sovershat' garmonicheskie kolebaniya
(2.7) |
Kak pokazyvaet opyt, amplituda i nachal'naya faza (t.e. sdvig fazy mezhdu smesheniem i siloi ) ustanovivshihsya kolebanii zavisyat ne tol'ko ot amplitudy sily (chto ochevidno iz uravneniya (2.6)), no i ot togo, naskol'ko chastota vynuzhdayushei sily otlichaetsya ot sobstvennoi chastoty kolebanii mayatnika Naibolee sil'no mayatnik budet raskachivat'sya, kogda eti chastoty prakticheski sovpadayut:
Prezhde chem pristupit' k nahozhdeniyu i zametim, chto dlya mehanicheskih kolebatel'nyh sistem ne tak prosto s tehnicheskoi tochki zreniya osushestvit' vozdeistvie garmonicheskoi sily neposredstvenno na dvizhushuyusya massu. Gorazdo proshe eto sdelat' dlya elektricheskih i opticheskih kolebatel'nyh sistem, naprimer, dlya kolebatel'nogo kontura, podklyuchennogo k vneshnemu istochniku peremennogo napryazheniya. Legko, odnako, videt', chto mozhno podderzhivat' vynuzhdennye kolebaniya mayatnika, izobrazhennogo na ris. 2.1, inym sposobom, ne prikladyvaya neposredstvenno vneshnyuyu silu k masse Dostatochno lish' etu silu prilozhit' k levomu koncu svobodnoi pruzhiny tak, chtoby etot konec dvigalsya po garmonicheskomu zakonu (ris. 2.2). Togda udlinenie pruzhiny sostavit velichinu a sila uprugosti, prilozhennaya k masse , budet ravna Poetomu uravnenie dvizheniya massy zapishetsya v vide:
(2.8) |
Ris. 2.2. |
Esli prinyat' vo vnimanie, chto sila uprugosti pruzhiny v otsutstvie smesheniya gruza (s = 0) ravna
(2.9) |
to uravnenie (2.8) polnost'yu ekvivalentno uravneniyu (2.6). Sila (2.9) vypolnyaet rol' vneshnei garmonicheskoi sily v klassicheskoi sheme, izobrazhennoi na ris. 2.1. Eta sila legko mozhet byt' vizualizirovana, poskol'ku ee velichina i napravlenie odnoznachno opredelyaetsya smesheniem podvizhnogo levogo konca pruzhiny. Eto, v svoyu ochered', daet vozmozhnost' naglyadno prodemonstrirovat' fazovye sootnosheniya mezhdu siloi (ili smesheniem ) i smesheniem koleblyusheisya massy.
Perepishem uravnenie (2.8) sleduyushim obrazom:
(2.10) |
gde
Reshenie etogo uravneniya budem iskat' v vide garmonicheskogo kolebaniya (2.7), gde amplituda i faza mogut byt' opredeleny, esli podstavit' (2.7) v (2.10). My sdelaem eto neskol'ko pozdnee, a poka rassmotrim tri vazhnyh rezhima vynuzhdennyh kolebanii.
Medlennye kolebaniya.
Esli chastota vynuzhdayushei sily znachitel'no men'she to skorost' i uskorenie koleblyusheisya massy budut ochen' malymi. Poetomu mozhno prenebrech' pervymi dvumya chlenami v levoi chasti uravneniya (2.10) i zapisat' ego v priblizhennom vide:
(2.11) |
Ego reshenie ochevidno:
(2.12) |
V etom rezhime smeshenie gruza proporcional'no vneshnei sile i ne zavisit ot velichiny ego massy . Reshenie (2.12) yavlyaetsya, po sushestvu, matematicheskim vyrazheniem zakona Guka dlya staticheskoi deformacii pruzhiny. Poetomu etot rezhim mozhno nazvat' kvazistaticheskim (pochti staticheskim). Amplituda kolebanii v sootvetstvii s etim zakonom ravna a smeshenie izmenyaetsya v faze s vneshnei siloi.
V sheme, izobrazhennoi na ris. 2.2, eto ekvivalentno tomu, chto smeshenie massy prakticheski povtoryaet smeshenie levogo konca pruzhiny:
(2.13) |
poskol'ku Eto i ne udivitel'no, t.k. dlya dvizheniya massy s prenebrezhimo malym uskoreniem ne trebuetsya bol'shih deformacii pruzhiny:
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|