Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Тер. Мех. (Леушин,Нигматуллин,Прошин).pdf
Скачиваний:
808
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
2.45 Mб
Скачать

Малые колебания механических систем

158

 

 

нитного движения, и любое колебательное движение имеет периодический характер. Важными характеристиками такого движения являются собственные частоты ωα, число которых для невырожденного случая совпадает с числом степеней свободы механической системы (α = 1,2,…,n). Вторым набором характерных величин являются нормальные координаты θα ~ cosαt + φ0α) – линейные комбинации исходных смещений xj, участвующие в колебании только с одной частотой ωα.

Сначала рассмотрим более простой вариант движения системы с одной степенью свободы n = 1. В этом случае колебательное движение описывается только одной собственной частотой ω.

Линейные колебания в отсутствии диссипативных и вынуждающих сил

Алгоритм решения задач при n = 1

1. Составление исходной функции Лагранжа механической системы:

L(q,q) = T(q,q) U(q) = T (2)(q,q) + T (1)(q,q) + T (0)(q) U(q),

где верхний индекс d у слагаемых кинетической энергии показывает степень обобщенной скорости q, входящей в T (d)(q,q) (см. (5.19)–(5.21)):

T (2)(q,q) = a(q)q2/2, T (1)(q,q) =b(q)q, T (0)(q)=T (0)(q).

2.Нахождение точек равновесия. Для инерциальной системы координат мы должны найти точки минимума потенциальной энергии U(q). Часто требуется провести решение в неинерциальной системе координат (например, вращающейся), в которой точки равновесия определятся минимумом эффективной потенциальной энергии Ueff(q) = U(q) T (0)(q) (см.

также (7.9)). В общем случае точки равновесия q(0) являются решениями следующего алгебраического уравнения1

Ueff (q)

= dUeff

= 0 .

(8.1)

q

dq

 

 

Таких точек равновесия может быть несколько: q(01), q(02), …. Конечно, если T(0)(q) ≡ 0, то вычисления проводятся в исходной инерциальной системе координат. Тогда здесь и ниже нужно положить Ueff(q) = U(q).

1Для функции одной переменной (n = 1) частная производная совпадает с обычной производной.

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

159

 

 

3.Определение точек устойчивого равновесия в неинерциальной сис-

теме координат. Вторая производная от Ueff(q) должна быть положительна, т.е.

c(0m) =

d 2Ueff

 

′′

(8.2)

 

dq2

 

=Ueff (q(0m) ) > 0

 

 

q=q(0m)

 

 

 

 

 

Колебания возможны только вблизи точек устойчивого равновесия, поэтому дальнейшее решение проводится по отдельности для каждой из них q(0m). Для простоты индекс точки равновесия m ниже мы опускаем:

q(0m) q0, а c(0m) c0.

4.Линеаризация функции Лагранжа. Исходную функцию Лагранжа

L(q,q) необходимо разложить в ряд Тейлора по малым скоростям x= qи смещениям от точки устойчивого равновесия x = q q0. При этом огра-

ничиваются квадратичными слагаемыми по этим величинам. Кинетиче-

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

ская энергия с этой точностью1 превращается в Teff

 

 

 

(2)

(1)

~

2

/2,

(8.2a)

Teff(q,q) = T

 

(q,q) + T

 

(q,q) ≈ Teff(x,x) = a0x

~

гдеa0 ≈a(q0) – константа. ПотенциальнаяэнергияUeff(q) превращаетсявUeff

 

 

 

~

~

+ c0x2/2,

(8.2б)

Ueff(q) = U(q) T(0)(q) ≈ Ueff(x) = Ueff(0)

 

 

~

 

 

~

 

постоянное значение Ueff

в точке равновесия Ueff(0) не дает вклада в

уравнение Лагранжа (5.23), следовательно,

 

 

~

2

2

(a0, c0 – константы).

 

L(x,x) = a0x

/2 c0x /2

 

~

Таким образом, приближенная функция Лагранжа L является функцией Лагранжа линейного гармонического осциллятора.

5. Решение получающегося линейного дифференциального уравнения

d

L%

L%

 

 

••

 

 

 

 

&

 

x

 

= 0 , или

a0x

+ c0x = 0,

(8.2в)

 

dt

x

 

 

 

 

 

 

 

ищем в стандартном виде2

1Легко убедиться, что линейные по обобщенной скорости члены разложения T (1) вклада в линеаризованное уравнение Лагранжа с указанной точностью не дадут.

2Взята реальная часть стандартной подстановки x = Aeiωt, где комплексная амплитуда A = Aeiφ.

Малые колебания механических систем

160

 

 

x = Acos(ωt + φ).

(8.2г)

После подстановки (8.2г) во второе уравнение (8.2в) получаем

 

a0ω2 + c0 = 0,

 

откуда определяется собственная частота колебаний

 

ω = ω0 = c0/a0.

(8.2д)

Константы интегрирования: амплитуда колебаний A и начальный сдвиг фазы φ, могут быть найдены из известных начальных условий.

6.Проверка и анализ решения. Рассматривается физический смысл полученного решения, проверяются самые простые предельные случаи.

Алгоритм решения задач при n ≥ 2

Обобщим приведенный выше алгоритм (n = 1) на многомерный случай, когда число степеней свободы механической системы n ≥ 2.

1.Составление исходной функции Лагранжа механической системы (см.

также (5.20) и (5.21))

L(q,q) = T(q,q) U(q) = T (2)(q,q) + T (0)(q) U(q) =

=T

(2)

&

(q))=

1

n

& &

(8.3)

 

(q,q) (U (q) T0

 

akl (q)qk ql Ueff (q) .

 

 

 

 

2 l,k

 

 

Для простоты здесь положили T (1)(q,q) = 0. Ueff(q) = U(q) T (0)(q) – потенциальная энергия механической системы для неинерциальной системы координат. Для инерциальной системы координат Ueff(q) ≡ U(q).

2.Нахождение положения равновесия в неинерциальной системе коор-

динат. Точки равновесия q(0)(q(0)1,q(0)2,…,q(0)n) являются решениями следующей системы алгебраических уравнений

Ueff

= 0,

Ueff

= 0, ... ,

Ueff

= 0 .

(8.4)

q

 

q

 

q

 

 

1

 

2

 

n

 

 

В общем случае положений равновесия (q(01), q(02), …) может быть несколько. Дальнейшее решение проводится по отдельности для каждого из найденных положений равновесия q(0m). Для простоты индекс m ниже опускаем.

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

161

 

 

3.Определение положения устойчивого равновесия. Матрица вторых производных Ueff(7.7), вычисленных в точке равновесия,

 

c

c

...

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

12

 

1n

 

 

 

 

 

 

 

U′′eff (q(0) ) =

c21

c22

...

c2n

, где ckl =

2Ueff

 

 

 

(8.5)

 

... ...

...

...

 

qk ql

 

q=q(0)

 

 

 

 

 

 

 

c

c

...

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

n2

 

nn

 

 

 

 

 

 

должна обладать определенными свойствами. Положение равновесия является устойчивым, если любой минор в (8.5) положителен. Достаточно проверить n таких определителей, например,

 

c11

 

> 0,

c11

c12

> 0, K,

 

U′′eff (q(0) )

 

> 0

(8.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c21

c22

 

 

 

 

 

 

4.Линеаризация функции Лагранжа. Исходную функцию Лагранжа

L(q,q) разлагаем в ряд Тейлора по малым скоростям xj = qj и смещениям от положения устойчивого равновесия xj = qj q(0)j с точностью до квадратичных слагаемых. Пренебрегая константой Ueff(q(0)), имеем

%(2)

(x) =

1 n

(0)

 

 

%

1 n

 

(8.7)

T

akl

xk xl , Ueff (x) =

ckl xk xl .

 

&

2 l,k

 

& &

 

2 l,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь константа a(0) = a

(q

(0)

) , матричный элемент akl введен в (8.3) (см.

 

kl

kl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

определен в (8.5).

также (5.21)), а постоянный элемент ckl матрицы Ueff

5.Решение получающейся системы линейных дифференциальных уравнений

 

d L%

L% = 0

 

a(0)

&&x

+ c x = 0

(j = 1,2,…,n)

(8.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ kj

k

kj k }

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

dt

x j

x j

 

k=1

 

 

 

 

ищется в стандартном виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xj = Ajexp(iωt) ,

 

(8.9а)

где Aj = Ajeiφj – комплексная амплитуда. Напомним, что физический смысл имеет реальная часть (8.9а), т.е.

Re{Ajexp(iωt)} = Ajcos(ωt + ϕj) ,

(8.9б)

где φj – сдвиг фазы. Мы будем искать n вещественных амплитуд Aj.

Малые колебания механических систем

162

 

 

6. Собственные частоты. Подставим (8.9) в (8.8). Решение получающейся системы n однородных линейных алгебраических уравнений

n

 

{akj(0)ω2 + ckj }Ak = 0 (j = 1,2,…,n)

(8.10)

k=1

ищется из условия нетривиальности (хотя бы две амплитуды Ak отличны от нуля), т.е. обращения в нуль определителя системы (8.10)

 

a(0)ω2

+ c

K −a(0)ω2 + c

 

 

det{akj(0)ω2 + ckj}=

11

K

11

K

1n

K

1n

= 0 .

(8.11)

 

a(0)ω2

+ c

K −a(0)ω2

+ c

 

 

 

n1

 

n1

 

nn

 

nn

 

 

Из (8.11) получим уравнение порядка n на ω2, имеющее n корней – квадратов собственных частот рассматриваемой механической системы. Дальнейшее рассмотрение задачи зависит от степени вырождения каждого из корней.

7. Нормальные координаты.

7а. Невырожденный случай: все n полученных решений уравнения (8.11) ω2α различные (α = 1,2, …,n). Каждый найденный корень ωα2 необхо-

димо подставить в систему (8.10)

n

 

 

{akj(0)ωα2 + ckj}Ak(

α) = 0 (j = 1,2,…,n).

(8.12)

k=1

Используя любые (n 1) уравнений (8.12) и еще одно условие нормировки колебаний (после чего матрица A становится унитарной):

n

 

 

 

n

 

 

 

Ak(

α)

 

2

= (Ak(

α) )2 =1,

(8.13)

 

 

k=1

 

 

 

 

 

k=1

 

 

пренебрегая несущественными фазами, можно найти все значения вещественных амплитуд колебаний Αj(α) , относящиеся к данной частоте ωα с

точностью "до числа"1. Перебрав все значения α ωα!), найдем ортогональную матрицу амплитуд A = {Αj(α) } (нижний индекс – номер строки,

1Если отказаться от необязательного условия (8.13), то значения амплитуд находятся с точностью до произвольной константы.

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

163

 

 

верхний – номер столбца). Учитывая (8.9), запишем полное решение для смещения xj

n

 

 

x j = A(j

α)cα cos(ωαt + φα ) (j = 1,2,…,n).

(8.14)

α=1

Здесь cα и φα – произвольные константы, которые можно определить из начальных условий. Смысл записи (8.14) можно выразить так: каждая обобщенная координата xj участвует одновременно в колебаниях с различными частотами ωα, или, вообще говоря, во всех модах колебаний.

Возникает вопрос: нельзя ли найти такую линейную комбинацию исходных смещений xj, которая участвовала бы в колебании только с одной частотой ωα?

Для нахождения таких комбинаций (или нормальных координат θα) обратим соотношение (8.14). Введем нормальные координаты

θα = cαcos(ωαt + φα)

 

(α = 1,2,…,n)

(8.15)

и перепишем (8.14) в векторной форме

 

 

 

 

x = Aθ 1 → A

1

x= A

1

 

 

умножим

 

 

 

 

.

(8.16)

слева на A

 

 

 

 

 

 

обратим

1

т

x

 

 

 

 

→ θ= A

 

x

= A

 

 

 

 

Здесь учтено, что для ортогональной матрицы обратная матрица совпадает с транспонированной или A1 = Aт. Нормальную координату θα можно записать и в матричной форме

n

 

 

θα = Aα( j) xj

(α =1,2,K,n) .

(8.17)

j=1

Таким образом, матрица амплитуд, найденная с помощью (8.12)–(8.13), полностью определяет нормальные координаты.

7б. Случай вырождения: среди n полученных решений уравнения (8.11) есть r совпадающих ω2α1 = ω2α2 == ω2αr . Такие частоты ωαm называют-

ся вырожденными, а число r называется кратностью вырождения.

Для таких частот описанная выше процедура нахождения нормальных частот не может быть проведена однозначно. Возникает проблема выбора решений. Это связано с тем, что при подстановке частот в систе-