Тема 5. Физика колебаний

Колебательные процессы – процессы, характеризующиеся определенной повторяемостью во времени.

Колебания называются свободными (или собственными) если они совершаются за счет первоначально сообщенный энергии при последующем отсутствии внешних воздействий.

Вынужденные колебания совершаются под действием внешней периодически изменяющейся силы, которая называется вынуждающей..

Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания – колебания, совершающиеся по закону синуса или косинуса.

х = A sin (t  ); х = A cos (t  ) - уравнение гармонических колебаний

x – смещение - [м] А – амплитуда колебаний - максимальное смещение тела от положения равновесия [м] (t  ) – фаза колебаний – определяет положение колеблющегося тела в любой момент времени

 - круговая или циклическая частота , число полных колебаний за 2 секунд. t – время;

 - начальная фаза – определяет положение колеблющегося тела в начальный момент времени при t = 0.

К роме того, колебания ёще характеризуются периодом и частотой колебаний.

Т – период - время одного полного колебания ; [с]

[Гц] - частота колебаний – число полных колебаний за 1с.

   - связь между циклической частотой и частотой колебания

Скорость гармонических колебаний определим как производную смещения:

У скорение

a = - ²x – ускорение гармонических колебаний.

Т огда запишем

- дифференциальное уравнение

гармонических колебаний.

Решением этого уравнения является выражение х = A sin (t  ).

К инетическая энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания

Потенциальная энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания под действием упругой силы F

Т огда полная энергия гармонических колебаний

Полная энергия остается постоянной, так как при гармонических колебаниях справедлив закон сохранения механической энергии, поскольку упругая сила консервативна.

Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, описываемые уравнением вида: х + ²х =0

Примерами гармонического осциллятора является пружинный, физический и математические маятники.

Пружинный маятник – это груз массой m, подвешенный на упругой пружине и совершающей гармонические колебания под действием упругой силы

	F = - kx, где k - жесткость пружины период колебаний пружинного маятника П отенциальная энергия пружинного маятника
	Ф изический маятник – твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания, вокруг неподвижной оси, не проходящей через центр тяжести. - период колебаний физического маятника. где J - момент инерции, l- расстояние между точкой подвеса и центром тяжести - приведенная длина физического маятника

Т огда

Математический маятник – система, состоящая из материальной точки массой m, подвешенной на нерастяжимой, невесомой нити и колеблющаяся под действием силы F_m.. Момент инерции математического маятника

J = ml2, где l – длина маятника. . - период колебаний математиче ского маятника Если L= l, то периоды колебаний одинаковы. Следовательно, приведенная длина физического мА ятника – эта длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом

колебаний данного физического маятника.

Колеблющееся тело может участвовать в нескольких колебательных процессах, тогда необходимо найти результирующее колебание, т.е. колебания необходимо сложить. Сложим гармонические колебания одного направления и одинаковой частоты.

х₁ = A₁ соs (t  ₁ )

х₂ = A₂ cos (t  ₂)

Тогда уравнение результирующего колебания

х = х₁ + х₂ = A соs (t  )

Таким образом, тело, участвуя в двух гармонических колебаниях одного направления и одинаковой частоты, совершает так же гармонические колебания в том же направлении и с той же частотой. Амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз (₂ - ₁) складываемых колебаний.

П ериодические изменения амплитуды колебания, возникающие при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами, называется биением.

Период биений

 - разность частот складываемых колебаний.

Теперь рассмотрим результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты, происходящих во взаимных перпендикулярных направлениях вдоль оси x и y.

Начало отсчета выберем так, чтобы начальная фаза первого колебания была равна нулю. х = A соs t y = В cos (t  ) Сложив эти два уравнения и сделав преобразования, получим:

- уравнение эллипса

Так, как траектория результирующего колебания имеет форму эллипса, то такие колебания называются эллиптически поляризованными.

Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колебаний различны, то замкнутая траектория результирующего колебания сложная.

Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два взаимно – перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу.

Фигуры Лиссажу

Р ассмотрим свободные затухающие колебания, амплитуда которых из-за потерь энергии колебательной системой с течением времени уменьшается. Уменьшение энергии происходит вследствие трения в механических колебательных системах и превращение её в теплоту (пружинный маятник).

здесь  = const, - коэффициент затухания.

где r – коэффициент сопротивления.

Решением уравнения в случае малых затуханий (²  ²) является

х = А₀е^-t cos (t)

где А = А₀е^-t – амплитуда затухающих колебаний

А₀ – начальная амплитуда.

Промежуток времени, в течение которого амплитуда затухающих колебаний уменьшается в е раз, называется временем релаксации.

Затухание нарушает периодичность колебаний, поэтому затухающие колебания не являются периодическими и к ним не применимо понятие периода или частоты. Если затухание мало, то можно условно пользоваться понятием периода – как промежутка времени между двумя последующими максимумами (или минимумами) колеблющейся физической величины.

Тогда период затухающих колебаний

Е сли А(t) и А(t+T) - амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающихся на период, то отношение

- декремент затухания, а его логарифм

- логарифмический декремент затухания

N_e – число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз.

Чтобы получить в реальной колебательной системе незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии.

В случае механических колебаний нужна внешняя вынуждающая сила F = F₀ cost. Тогда уравнение вынужденных колебаний

где

Р ешение уравнения равно сумме решения однородного уравнения и частного решения

В установившемся режиме вынужденные колебания происходят с частотой  и являются гармоническими колебаниями Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты . Амплитуда вынужденных колебаний определяется по формуле: .

Чтобы определить резонансную частоту _рез – частоту, при которой амплитуда достигает максимума – нужно найти максимальную функцию или минимальную подкоренного выражения. Продифференцировав подкоренное выражение по частоте, получим:

_рез =

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте называют резонансом.

При ²  ₀², значение резонансной частоты _рез совпадает с _0, тогда

Процесс распространения колебаний в среде называется волновым процессом или волной.

Основное свойство всех волн – перенос энергии без переноса вещества.

Волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны. В поперечных волнах – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. Продольные волны возникают при деформации сжатия и растяжения, поперечные волны возникают при деформации сдвига.

Волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.

Гармоническая поперечная волна

Этот график похож на график гармонических колебаний, но они различны по существу. График волны дает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени, а график колебаний – дает зависимость смещения данной частицы от времени.

Расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе называют длиной волны -  - [м]

Скорость распространения волн тем меньше, чем больше её плотность - .

Скорость продольной волны: Скорость поперечной волны:

где Е - модуль упругости или модуль Юнга;  - модуль сдвига.

  П усть в точке В находится источник колеба-

l ний. Волны от источника колебания распро-

страняются вдоль прямой.

Уравнение колебаний точки В задано

х_В = Аsint = Аsin2

Точка С повторяет колебания точки В с некоторым запозданием. Тогда уравнение точки С х_С = Аsin2(t-)

Т очка В колеблется в течение времени t. Эти колебания дойдут до точки С через время , поэтому время колебаний точки С – (t-). Расстояние от точки В до точки С, равное l, волна проходит со скоростью

О тсюда

Тогда х = А sin2 (t - l/) или учитывая, что

- уравнение бегущей волны.

Бегущими называются волны, которые переносят в пространстве энергию.

Существуют еще стоячие волны – волны, образующиеся при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами.

Волны, распространяющиеся в любой среде и имеющие частоту в пределах от 16-20 до 20000 Гц, называются звуковыми волнами, которые воспринимает человеческое ухо.

Волны с частотой  16 Гц – инфразвуки, а с частотой  >20 кГц – ультразвуки.

Основными характеристиками звука являются высота, сила (интенсивность) и тембр звука.

Высота звука определяется частотой колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук.

С илой (интенсивностью) звука называется величина, определяемая энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

Сила звука – энергетическая характеристика звуковой волны и мы субъективно оцениваем как громкость звука.

Для каждой частоты колебаний существует наименьшая - порог слышимости и наибольшая – порог болевого ощущения интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое восприятие. Область между этими двумя порогами – область слышимости.

Тембр звука – оттенок или окраска звуковых колебаний.