13.Энергия колеблющегося тела. Собственные колебания земли. Сложение гармонических колебаний.

Для практики особый интерес представляет случай, когда два складываемых гар­монических колебания одинакового направления мало отличаются по частоте. В ре­зультате сложения этих колебаний получаются колебания с периодически изменяющей­ся амплитудой. Периодические изменения амплитуды колебания, возникающие при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами, называются биениями

Пусть амплитуды складываемых колебаний равны А, а частоты равны  и +, причем <<. Начало отсчета выберем так, чтобы начальные фазы обоих колебаний были равны нулю:

Складывая эти выражения и учитывая, что во втором сомножителе /2<<, найдем

Результирующее колебание можно рассматривать как гармоническое с частотой , амплитуда А_б, которого изменяется по следующему периодическому закону:

Частота изменения А_б в два раза больше частоты изменения косинуса (так как берется по модулю), т. е. частота биений равна разности частот складываемых колебаний:

Период биений

Определение частоты тона биений между эталонным и измеряемым колебаниями — наиболее широко применяемый на практике метод сравнения измеряемой величины с эталонной. Метод биений используется для настройки музыкальных инструментов, анализа слуха и т. д.

Любые сложные периодические колебания s=f(t) можно представить в виде супер­позиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными амп­литудами, начальными фазами, а также частотами, кратными циклической частоте ₀:

Полная механическая энергия колеблющегося тела

Е = Е_п + Е_к = (m/2) ²A²(cos²t + sin²t) = m²A²²/2

(незатухающих свободных колебаний) не изменяется с течением времени и равна ее запасу, сообщенному телу в начальный момент времени, при выведении его из положения равновесия. В процессе колебаний происходит только превращение видов энергии из кинетической в потенциальную и обратно с частотой, вдвое большей частоты колебаний, Е ~² и Е ~ А². (Е = кХ²/2, Т = 2 m/k).

В реальных свободных затухающих колебаниях их энергия, как и амплитуда, с течением времени непрерывно уменьшаются, расходуясь на преодоление сил тяжести.

Известный математик А.Е.Г. Ляв еще в 1911 г теоретически рассчитал, что стальной шар размером с Землю будет иметь период собственного основного колебания около 1 часа. Однако впервые колебание с периодом 57 мин было обнаружено Беньоффом после сильнейшего землетрясения на Камчатке 4 ноября 1952 г. После сильнейшего Чилийского землетрясения в мае 1960 г. на сейсмографах в разных точках земного шара волны с очень длинными периодами (54 мин) четко наблюдались в течение многих дней. Эти волны являются собственными колебаниями Земли, которые могут быть вызваны землетрясениями достаточно большой энергии. В наблюдаемом спектре обнаруживается много пиков более быстрых колебаний

По характеру деформаций среды и смещению в ней частиц собственные колебания подразделяются на радиальные и сфероидальные, с одной стороны, и на крутильные или тороидальные – с другой стороны. При радиальных деформациях частицы смещаются по радиусу, а при сфероидальных – по сферическим поверхностям

К настоящему времени зафиксировано около тысячи собственных частот Земли с периодами от 35 до 55 мин., которые являются интегральными характеристиками планеты и наряду с ее массой и моментом инерции используются для изучения распределения плотности в недрах Земли, модулей сжатия и сдвига, а также гравитационного поля

Важные сведения о неупругих свойствах глубоких частей Земли получаются из наблюдений затухания собственных колебаний.