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
Bystrye kolebaniya.
Esli to period vynuzhdennyh
kolebanii
mal. Eto oznachaet, chto massa
ispytyvaet deistvie lish' vneshnei sily
a sila uprugosti
i vyazkogo
treniya
maly. Deistvitel'no, za polovinu korotkogo perioda
kolebanii, kogda massa dvizhetsya v odnom napravlenii, ona ne uspevaet nabrat'
kak zametnuyu skorost'
tak i smestit'sya na dostatochnoyu velichinu
ot polozheniya ravnovesiya. Poetomu v uravnenii (2.10) mozhno opustit' chleny,
soderzhashie
i
i zapisat' ego v drugom priblizhennom vide:
![]() | (2.14) |
Integriruya eto uravnenie dva raza, nahodim zakon dvizheniya koleblyusheisya massy:
![]() | (2.15) |
Iz (2.15) sleduet, chto smeshenie po otnosheniyu k vneshnei sile zapazdyvaet po
faze na a amplituda, kak my i
predpolagali, ubyvaet s uvelicheniem chastoty.
V sheme, izobrazhennoi na ris. 2.2, v takom rezhime levyi podvizhnyi konec
pruzhiny i massa vsegda dvizhutsya v protivopolozhnyh napravleniyah:
![]() | (2.16) |
Po absolyutnoi velichine smeshenie massy v
raz men'she smesheniya levogo konca pruzhiny, t.e. prakticheski ne
budet zametnym.
Rezonansnyi rezhim.
Esli chastota to
vynuzhdennye kolebaniya proishodyat na sobstvennoi chastote kolebanii. Eto
oznachaet, chto
![]() | (2.17) |
Sledovatel'no, uravnenie (2.10) pri uchete (2.17) primet vid:
![]() | (2.18) |
Integriruya ego, poluchaem vyrazhenie dlya smesheniya:
![]() | (2.19) |
Poslednee vyrazhenie udobno perepisat' v vide
![]() | (2.20) |
gde - dobrotnost' mayatnika. Esli
dobrotnost'
to amplituda kolebanii mozhet vo mnogo raz prevyshat'
amplitudu medlennyh kvazistaticheskih kolebanii (sr. s (2.12)). Poetomu takoi
rezhim nazyvaetsya rezonansnym.
Veliki takzhe amplitudy skorosti i uskoreniya. Poskol'ku skorost'
kak sleduet iz (2.18), izmenyaetsya v faze s vneshnei siloi, to s
energeticheskoi tochki zreniya eto ves'ma blagopriyatno dlya "podkachki" energii
v kolebatel'nuyu sistemu. Rabota vneshnei sily za period kolebanii ravna:
![]() | (2.21) |
i znachitel'no prevoshodit rabotu etoi sily v oboih rassmotrennyh vyshe rezhimah. Takaya bol'shaya rabota neobhodima dlya kompensacii znachitel'nyh poter' iz-za sily vyazkogo treniya.
Dlya bol'shei naglyadnosti poslednego rezul'tata obratimsya k sheme s podvizhnym levym koncom pruzhiny, gde, kak eto vidno iz resheniya (2.20),
![]() | (2.22) |
Amplituda smesheniya pravogo konca pruzhiny v raz prevoshodit amplitudu
smesheniya levogo konca. Pri prohozhdenii massoi
polozheniya ravnovesiya
kogda ee skorost' maksimal'na, levyi konec pruzhiny smeshen na maksimal'nuyu
velichinu
v napravlenii skorosti dvizhusheisya massy. V etot moment
vremeni moshnost' sily uprugosti pruzhiny imeet maksimal'no vozmozhnoe
polozhitel'noe znachenie pri zadannoi velichine
V posleduyushie
momenty vremeni eta moshnost' budet ostavat'sya polozhitel'noi, chto,
estestvenno, obespechivaet naibolee effektivnuyu peredachu energii dvizhushemusya
s treniem telu.
Esli sila (2.5) menyaetsya s proizvol'noi chastotoi to amplituda
i faza
vhodyashie v reshenie (2.7), mogut byt'
naideny, kak bylo skazano vyshe, podstanovkoi resheniya (2.7) v uravnenie
(2.10). Takuyu podstanovku mozhno osushestvit' naibolee prosto, esli
vospol'zovat'sya metodom kompleksnyh amplitud, shiroko primenyaemym v razlichnyh
oblastyah fiziki: teorii kolebanii, teorii voln, elektromagnetizme, optike i
dr.
Metod kompleksnyh amplitud.
Esli v formule Eilera (1.53): pod
ponimat' fazu garmonicheskih
kolebanii
![]() | (2.23) |
to kazhdomu takomu kolebaniyu mozhno postavit' v sootvetstvie kompleksnoe
chislo
![]() | (2.24) |
Iz (2.24) vidno, chto reshenie (2.7) yavlyaetsya mnimoi chast'yu kompleksnogo vyrazheniya:
![]() | (2.25) |
gde - kompleksnaya amplituda,
kotoraya neset informaciyu ob amplitude
i nachal'noi faze
kolebanii. Nado otmetit', chto metod kompleksnyh amplitud yavlyaetsya,
fakticheski, analiticheskim vyrazheniem metoda vektornyh diagramm. Esli v
poslednem metode kolebanie s chastotoi
polnost'yu zadaetsya vektorom
to v metode kompleksnyh amplitud kolebanie zadaetsya chislom
na kompleksnoi ploskosti. Poskol'ku s kompleksnymi chislami udobno
i prosto proizvodit' matematicheskie operacii, to my ispol'zuem eto
obstoyatel'stvo dlya polucheniya resheniya uravneniya vynuzhdennyh kolebanii (2.10).
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|