48.Свободно затухающие колебания. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний

Все реальные колебания являются затухающими. Энергия механических колебаний постепенно расходуется на работу против сил трения и амплитуда колебаний постепенно уменьшается (затухает).

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний линейной системы

где s — колеблющаяся величина, описывающая тот или иной физический процесс, δ = const — коэффициент затухания, (ω0 — циклическая частота свободных незатухающих колебаний той же колебательной системы, т. е. при δ =0 (при отсутствии потерь энергии) называется собственной частотой колебательной системы.

Период затухающих колебаний

Если A(t) и A(t+Т) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, то отношение

называется декрементом затухания, а его логарифм

— логарифмическим декрементом затухания; Ne — число колебаний, совершаемых во время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания — постоянная для данной колебательной системы величина.

Для характеристики колебательной системы пользуются понятием добротности, которая при малых значениях логарифмического декремента равна

Добротность пружинного маятника

49. Дифференциальные уравнения RLC-цепей

В электрической цепи, содержащей сопротивление R, индуктивность L и емкость C, могут возбуждаться электрические колебания. С точки зрения топологии чаще всего рассматриваются два вида электрических цепей: последовательная RLC-цепь (рисунок 1) и параллельная RLC-цепь (рисунок 2).

Рис.1		Рис.2

Выведем дифференциальное уравнение, описывающее закон изменения тока в последовательной RLC-цепи.  Напряжения VR, VC, VL, соответственно, на резисторе R, конденсаторе C и катушке индуктивности Lвыражаются формулами

Из второго закона Кирхгофа следует, что

где E(t) − электродвижущая сила (э.д.с.) источника питания.  В случае постоянной э.д.с. E после подстановки выражений для VR, VC и VL и последующего дифференцирования получаем следующее дифференциальное уравнение:

Если ввести обозначения  , то уравнение записывается в виде

50. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс

Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты ω

 (8.1)

Из формулы (8.1) следует, что амплитуда А смещения имеет максимум. Чтобы определить резонансную частоту ωрез — частоту, при которой амплитуда А смещения достигает максимума, — нужно найти максимум функции (1), или, что то же самое, минимум подкоренного выражения. Продифференцировав подкоренное выражение по ω и приравняв его нулю, получим условие, определяющее ωрез:

Это равенство выполняется при ω=0, ±  , у которых только лишь положительное значение имеет физический смысл. Следовательно, резонансная частота

 (8.2)

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы (частоты вынуждающего переменного напряжения) к частоте, равной или близкой собственной частоте колебательной системы, называется резонансом. При δ2«ω2 значение ωрез практически совпадает с собственной частотой ω0 колебательной системы. Подставляя (8.2) в формулу (8.1), получим

 (8.3)

Из формулы (3) вытекает, что при малом затухании (δ2«ω2) резонансная амплитуда смещения

где Q —добротность колебательной системы,   – рассмотренное выше статическое отклонение. Отсюда следует, что добротность Q характеризует резонансные свойства колебательной системы: чем больше Q, тем больше Aрез.