Задача №4

Найти результирующее движение в случае двух гармонических колебаний одинаковой частоты, происходящий вдоль осих с амплитудами А и В.

Решение

1. Задача решается методом векторных диаграмм. Будем рассматривать смещение x как проекцию на ось x вектора постоянной длины A, который вращается с постоянной угловой скоростью ω в плоскости X0Y вокруг точки x=y=0

,

(2.4.1)

где . Формула (2.4.1) описывает гармонические колебания вдоль осиx с циклической частотой , амплитудойA и начальной фазой .

2. Если частица одновременно участвует в двух гармонических колебаниях вдоль оси x, то для начального момента времени t=0 из одной точки x=y=0 строятся два вектора, положение и длина которых определяются соответственно амплитудой и начальной фазой этих колебаний. Суммарное движение частицы описывается вектором, равным сумме этих двух векторов.

3. Найдем графически сумму двух гармонических колебаний

.

(2.4.2)

Из точки О, как показано на рис.4.1, построим два вектора, соответствующие гармоническим колебаниям в начальный момент времени t=0. Суммарный вектор имеет длину

(2.4.3)

и начальную фазу

.

(2.4.4)

Рис.4.1

При t>0 все три вектора ,ивращаются с одинаковой угловой скоростью ω, равной частоте гармонических колебаний. Проекция векторана осьх описывает результирующее движение частицы в виде

.

(2.4.5)

Ответ: .

Задача №5

Частица совершает гармонические колебания около положения равновесия х=0 с циклической частотой ω=4 рад/с так, что в начальный момент времени t=0 её координата x₀=0,25м, а скорость V₀=1м/с. Найдите смещение частицы x(t) как функцию времени t.

Решение

1. Общее выражение, описывающее гармонические незатухающие колебания, имеет вид:

,

(2.5.1)

где А, ω и φ₀ - постоянные величины. Согласно условиям задачи известны циклическая частота

ω=4 рад/с

(2.5.2)

и состояние частицы в момент времени t=0:

м ,	(2.5.3)
м/с2 .	(2.5.4)

2. Из (2.5.3) и (2.5.4) получаем, что амплитуда колебаний

м

(2.5.5)

и начальная фаза

.

(2.5.6)

3. C учётом (2.5.5) и (2.5.6) выражение (2.5.1) принимает вид

м ,

(2.5.7)

где время t измеряется в секундах.

Ответ: м, где времяt измеряется в секундах.

Задача №6

Рассмотреть движение тела массой m=1 кг в колебательных системах 1 и 2, показанных на рис.6.2. Коэффициенты жёсткости пружины и. Массами пружин и трением можно пренебречь. Определите периодыT₁ и T₂ гармонических колебаний тела в этих системах.

Система 1 Система 2

Рис.6.2

Решение

Для расчёта механической колебательной системы необходимо: 1) найти положение равновесия системы, 2) проанализировать его устойчивость, записав выражение для силы, возникающей при малом смещении тела из положения равновесия и 3) получить уравнение движения тела в малой окрестности устойчивого положения равновесия, записав его в стандартной форме уравнения движения гармонического осциллятора.

Определим все силы, действующие на тело согласно условиям задачи: сила тяжести , сила реакции опоры, силы упругости деформированных пружини. В нашем случае достаточно рассмотреть только горизонтальное движение тела, поскольку вертикально направленные силы взаимно скомпенсированы.

Очевидно, что в обеих системах имеются положения равновесия, причем будем считать, что для системы 1 в положении равновесия обе пружины не деформированы. Для каждой системы введём ось х, вдоль которой происходит движение тела, и направим её слева направо. При этом примем, что положение равновесия находится в точке х=0.

Система 1

1. Определим устойчивость положения равновесия. При смещении тела относительно равновесия пружины деформируется таким образом, что возникающие силы упругости обеих пружин направлены в одну сторону – к положению равновесия тела. Следовательно, формируется возвращающая сила и положение равновесия устойчивое.

2. Если смещение тела относительно положения равновесия х, полная сила упругости, действующая на тело,

.

(2.6.1)

Здесь учитывается то обстоятельство, что смещения тела и прикреплённых к нему концов пружины одинаковые.

3. Согласно II - ому закону Ньютона уравнение движения тела имеет вид:

(2.6.2)

или

,

(2.6.3)

где

(2.6.4)

- циклическая частота и

с

(2.6.5)

- период гармонических колебаний тела в системе 1.

Система 2

1. Определим устойчивость положения равновесия. При смещении тела относительно положения равновесия пружины деформируются таким образом, что возникающие силы упругости обеих пружин направлены в одну сторону – к положению равновесия тела. Следовательно, формируется возвращающая сила и положение равновесия устойчивое.

2. Смещение х тела относительно положения равновесия равно сумме смещений правых концов обеих пружин

,

(2.6.6)

при этом на тело действует сила упругости только пружины 2

.

(2.6.7)

3. Согласно II – ому закону Ньютона уравнение движения тела запишется в виде

.

(2.6.8)

4. Поскольку пружины считаются невесомыми, то согласно III – ему закону Ньютона для сил упругости пружин выполняется равенство

(2.6.9)

и

.

(2.6.10)

Тогда из (2.6.6) и (2.6.10) следует, что

.

(2.6.11)

5. С учётом (2.6.11) уравнение движения тела (2.6.8) запишется следующим образом:

(2.6.12)

или

,

(2.6.13)

где

(2.6.14)

- циклическая частота и

с

(2.6.15)

- период гармонических колебаний тела в системе 2.

Согласно полученным результатам эквивалентная жёсткость k пружин в системе 1 определяется формулой

,

а в системе 2 – формулой

.

Ответ: с,с.