Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
mechanics_kolebaniya.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
960 Кб
Скачать

8.5 Свободные затухающие колебания

Все реальные колебательные системы являются диссипативными. Их энергия расходуется на работу против сил трения. Поэтому такие колебания затухают, их амплитуда уменьшается.

Свободные затухающие колебания − это колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени вследствие потерь энергии колебательной системой.

При малых колебаниях (при небольших скоростях движения) силы сопротивления , где − коэффициент сопротивления среды.

Запишем  закон Ньютона для материальной точки совершающей свободные затухающие колебания, т.е. для материальной точки, движущейся под действием под действием квазиупругой силы и силы сопротивления . Уравнение движения вдоль оси в этом случае будет иметь следующий вид:

или , (8.15)

дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний;

где − смещение тела из положения равновесия; − масса материальной точки, совершающей колебания под действием квазиупругой силы ; − сила сопротивления; − скорость материальной точки; − коэффициент сопротивления; − ускорение материальной точки; −коэффициент затухания; − циклическая частота собственных незатухающих колебаний.

У равнение свободных затухающих колебаний (решение дифференциального уравнения (8.15))в случае слабого затухания :

(8.16)

где − смещение тела из положения равновесия; − амплитуда свободных затухающих колебаний; − амплитуда колебаний в начальный момент времени ; − циклическая частота затухающих колебаний, − период затухающих колебаний.

Таким образом, свободные затухающие колебания − это колебания с амплитудой , уменьшающейся по экспоненциальному закону, и постоянной частотой .

Время релаксации − промежуток времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в раз: , т.е. .

Декремент затухания: ,

где и − амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период.

Логарифмический декремент затухания: ,

− величина, обратно пропорциональная количеству колебаний , которое совершит система за время , в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в раз.

В случае большого трения решением дифференциального уравнения (8.15) является:

, где . (8.17)

График зависимости в этом случае представляет простую экспоненциальную функцию.

8.6 Вынужденные колебания

Вынужденные колебания − это колебания, которые совершаются при наличии внешнего периодически изменяющегося воздействия.

Запишем  закон Ньютона для материальной точки, совершающей вынужденные колебания. В этом случае материальная точка движется под действием квазиупругой силы , силы сопротивления и изменяющейся по гармоническому закону вынуждающей силы :

, или . (8.18)

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний при наличии силы сопротивления и изменяющейся по гармоническому закону вынуждающей силы :

, (8.19)

где − смещение тела из положения равновесия; − масса материальной точки (тела), − скорость материальной точки; − коэффициент сопротивления; − ускорение материальной точки; −коэффициент затухания; − циклическая частота собственных незатухающих колебаний.

Уравнение (8.19) является неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка. Его решение представляется в виде суммы:

, (8.20)

где − общее решение соответствующего однородного дифференциального уравнения (оно соответствует свободным затухающим колебаниям (8.16));

− частное решение неоднородного дифференциального уравнения.

Уравнение (8.20) описывает поведение системы, совершающей вынужденные колебания. В нем первое слагаемое играет существенную роль только вначале. С течением времени экспоненциально уменьшается и через некоторое время им можно пренебречь. В течение этого времени происходит установление вынужденных колебаний, а сам процесс их установления называется переходным режимом. Таким образом, при установившемся режиме колебаний в решении (8.20) сохраняется только второе слагаемое .

Уравнение установившихся вынужденных колебаний:

, (8.20)

где − смещение тела из положения равновесия;

− циклическая частота вынужденных колебаний;

− амплитуда вынужденных колебаний; (8.21)

− разность фаз между колебаниями вынуждающей силы и тела. (8.22)

Таким образом, под действием внешней гармонической силы система совершает колебания с частотой этой силы. Фаза и амплитуда этих колебаний определяются как свойствами самой силы, так параметрами системы.

Амплитуда вынужденных колебаний зависит от соотношения между циклическими частотами вынуждающего воздействия и собственных колебаний . Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы приводит к тому, что при некоторой определенной для данной системы частоте амплитуда колебаний достигает максимального значения. Это явление − возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты внешней вынуждающей силы с резонансной частотой колебаний , называется резонансом, а соответствующая частота − резонансной частотой.

Резонансная частота и резонансная амплитуда вынужденных колебаний системы:

, (8.23)

. (8.24)

Зависимость амплитуды установившихся вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Проанализируем эту зависимость, используя выражение (8.22):

П ри малом затухании зависимость , которая называется резонансной кривой, имеет резкий и узкий максимум при резонансной частоте , причем . Если затухания нет , то . При увеличении коэффициента затухания высота резонансной кривой в максимуме уменьшается, а резонансная частота смещается влево от значения . При очень большом затухании , выражение для резонансной частоты становится мнимым. Это означает, что при этих условиях резонанс не наблюдается, т.е. с увеличением частоты амплитуда вынужденных колебаний монотонно убывает.

При частоте вынуждающей силы все резонансные кривые приходят к одному и тому же предельному значению . Это значение представляет собой смещение системы из положения равновесия под действием постоянной силы .

При частоте вынуждающей силы все резонансные кривые асимптотически стремятся к нулю, так как при большой частоте вынуждающая сила так быстро изменяет свое направление, что система не успевает заметно сместится из положения равновесия.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]