- •§8. Механические колебания и волны
- •8.1 Гармонические колебания
- •8.2 Скорость , ускорение , энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания.
- •8.3 Собственная частота, амплитуда и начальная фаза колебаний
- •8.4 Графическое представление гармонических колебаний
- •8.5 Свободные затухающие колебания
- •8.6 Вынужденные колебания
- •8.6 Сложение колебаний
- •8.7 Механические волны
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.
