- •2 Колебания механических систем в поле сил тяготения
- •2.1 Свободные и вынужденные колебания
- •2.1.1 Свободные гармонические колебания материальной точки
- •Параллельное соединение пружин
- •Последовательное соединение пружин
- •2.1.3. Пример затухающих колебаний
- •2.1.4 Вынужденные колебания при отсутствии сопротивления
- •2.1.5 Вынужденные колебания при сопротивлении, пропорциональном скорости
- •2.2.1 Несвободное твердое тело. Связи. Реакции связей
Параллельное соединение пружин
При параллельном соединении двух пружин, имеющих коэффициенты жесткости с1, с2 (рис. 2.5), смещение тела равно деформации каждой из пружин:
. (2.9)
Рис. 2.5 Параллельное соединение пружин
Сила упругости эквивалентной пружины с коэффициентом жесткости с* будет равна сумме сил упругости двух установленных пружин, откуда с учетом (2.9) получаем
,
окончательно
. (2.10)
Последовательное соединение пружин
При последовательном соединении двух пружин, имеющих коэффициенты жесткости с1, с2 (рис. 2.6), смещение тела равно сумме деформаций пружин:
. (2.11)
Рис. 3.6 Последовательное соединение пружин
Сила упругости эквивалентной пружины с коэффициентом жесткости с* будет равна каждой из сил упругости установленных пружин, откуда
,
,
откуда
Окончательно с учетом (2.11) получаем
. (2.12)
Влияние сопротивления на свободные колебания
Пусть на точку массы m, совершающую прямолинейное движение, действуют две силы (рис. 2.7):
Восстанавливающая сила (сила упругости пружины): .
Сила сопротивления, пропорциональная скорости движения точки (сила сопротивления демпфера): .
Рис. 2.7 Движение массы с демпфированием
Дифференциальное уравнение движения точки запишется как
;
,
обозначая
, , (2.13)
получаем линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами:
. (2.14)
Характеристическое уравнение имеет вид
, (2.15)
его корни равны
, (2.16)
где – дискриминант.
Как известно из курса высшей математики, общее решение дифференциального уравнения (2.14) существенно зависит от знака дискриминанта , т.е. от соотношения между b и k.
1-й случай (малое сопротивление): b k , D 0.
Обозначим , причем k* k. Тогда корни (2.16) характеристического уравнения будут комплексно сопряженными:
,
Общее решение дифференциального уравнения (2.14) в данном случае имеет вид
, (2.17)
это затухающие колебания с частотой k* и периодом (рис.3.8).
Амплитуда колебаний убывает со временем. Отношение последующей амплитуды к предыдущей называется декрементом затухания:
< 1 (2.18)
Рис. 2.8 Затухающие колебания
Часто используется также логарифмический декремент .
Таким образом, амплитуды образуют геометрическую прогрессию с показателем q, меньшим единицы.
Видим также, что наличие сопротивления приводит к уменьшению частоты колебаний (k* k) и к увеличению их периода (Т* > Т).
2-й случай (граничный): b = k , D = 0.
Корни (2.16) характеристического уравнения получаются кратные, , и решение дифференциального уравнения (2.14) приобретает вид
. (2.19)
Поскольку экспонента убывает быстрее, чем растёт линейная функция времени, в зависимости от начальных условий движения получим ту или иную картину затухающего апериодического (т.е. не колебательного) движения (рис.2.9).
3-й случай (большое сопротивление): b > k, D > 0.
В этом случае обозначим >0, и оба корня (2.16) характеристического уравнения будут действительными и отрицательными:
< 0, < 0,
общее решение
. (2.20)
Рис. 2.9 График затухающего апериодического движения
Здесь также получаем затухающие апериодическое движение, графики будут такие же, как и в случае b= k.