[Править]Вынужденные колебания гармонического осциллятора [править]Консервативный гармонический осциллятор
Второй
закон Ньютона для
такого осциллятора запишется в виде: 
.
Если ввести обозначения: 
и
заменить ускорение на
вторую производную от
координаты по времени, то получим
следующее обыкновенное
дифференциальное уравнение:
Решением этого уравнения будет сумма общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного. Общее решение однородного уравнения было уже получено здесь и оно имеет вид:
,
где 
—
произвольные постоянные, которые
определяются из начальных условий.
Найдём
частное решение. Для этого подставим в
уравнение решение вида: 
и
получим значение для константы:
Тогда окончательное решение запишется в виде:
Эффект резонанса для разных частот внешнего воздействия и коэффициентов затухания
[Править]Резонанс
Из
решения видно, что при частоте вынуждающей
силы, равной частоте свободных колебаний,
оно не пригодно — возникает резонанс,
то есть «неограниченный» линейный рост
амплитуды со временем. Из курса математического
анализа известно,
что решение в этом случае надо искать
в виде: 
.
Подставим этот анзац в дифференциальное
уравнение и
получим, что :
Таким образом, колебания в резонансе будут описываться следующим соотношением:
29. Понятие волны. Продольные и поперечные волны. Энергия бегущей волны. Вектор Умова. Стоячие волны.
Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны (рис. 15.5).
Рис. 15.5
Продольную волну можно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив по одному из концов пружины, можно заметить, как по пружине будут распространяться последовательные сгущения и разрежения ее витков, бегущие друг за другом. На рисунке 15.6 точками показано положение витков пружины в состоянии покоя, а затем положения витков пружины через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
Рис. 15.6
Таким образом, продольная волна в рассматриваемом случае представляет собой чередующиеся сгущения (Сг) и разрежения (Раз) витков пружины.
Волна́ — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры
Поперечные и продольные волны
Различают продольные и поперечные волны. Волна называется поперечной, если частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны (рис. 15.3). Поперечная волна распространяется, например, вдоль натянутого горизонтального резинового шнура, один из концов которого закреплен, а другой приведен в вертикальное колебательное движение.
Рис. 15.3
Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны (рис. 15.5).
Рис. 15.5
Продольную волну можно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив по одному из концов пружины, можно заметить, как по пружине будут распространяться последовательные сгущения и разрежения ее витков, бегущие друг за другом. На рисунке 15.6 точками показано положение витков пружины в состоянии покоя, а затем положения витков пружины через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
Рис. 15.6
Таким образом, продольная волна в рассматриваемом случае представляет собой чередующиеся сгущения (Сг) и разрежения (Раз) витков пружины.
Энергия бегущей волны. Вектор плотности потока энергии
Упругая среда, в которой распространяется волна, обладает как кинетической энергией колебательного движения частиц так и потенциальной энергией, обусловленной деформацией среды. Можно показать, что объемная плотность энергии для плоской бегущей гармонической волны S=Acos(ω(t-)+φ0)
(14)
где r=dm/dV - плотность среды, т.е. периодически изменяется от 0 до rА2w2 за время p/w=Т/2. Среднее значение плотности энергии за промежуток времени p/w=Т/2
. (16)
Для характеристики переноса энергии вводят понятие вектора плотности потока энергии - вектор Умова. Выведем выражение для него. Если через площадку DS^ , перпендикулярную к направлению распространения волны, переносится за время Dt энергия DW, то плотность потока энергии Рис. 2
, (17)
где DV=DS^ uDt - объем элементарного цилиндра, выделенного в среде. Поскольку скорость переноса энергии или групповая скорость есть вектор, то и плотность потока энергии можно представить в виде вектора, Вт/м2 (18) Этот вектор ввел профессор Московского университета Н.А. Умов в 1874 г. Среднее значение его модуля называют интенсивностью волны(19) Для гармонической волны u=v [cм.(14)], поэтому для такой волны в формулах (17)-(19) u можно заменить на v. Интенсивность определяется плотностью потока энергий — этовектор совпадает с направлением, в котором переносится энергия и равен потоку энергии перенсимой через……………..
Когда говорят о интенсивности, то подразумевают физическое значение вектора —потока энергии. Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды.
Вектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:
(в
системе СГС),
(в
системе СИ),
где E и H — векторы напряжённости электрического и магнитного полей соответственно.
(в
комплексной форме)[1],
где E и H — векторы комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно.
Этот вектор по модулю равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.
Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то вектор S непрерывен на границе двух сред.
Стоя́чая волна́ — колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов)амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения.
Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе[1]; в природе — волны Шумана.
Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде[2] и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения.
Для демонстрации стоячих волн в газе используют трубу Рубенса.