Физический маятник уравнение свободных незатухающих колебаний

Дифференциальное уравнение свободных незатухающих коле­баний

Здесь х — смещение колеблющейся материальной точки, t — время,

где А — амплитуда колебаний, фаза колебаний, φ₀ — начальная фаза колебаний φ= φ₀ при t=0, ω₀— круговая частота колебаний.

, где k — коэффициент квази­упругой силы (F= — kx), возникающей в системе при выходе ее из положения равновесия.

Период колебаний:

где L — длина маятника, g — ускорение свободного падения;

где k — жесткость пружины;

где J — момент инерции физического маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса; L— расстояние между точкой подвеса и центром массы маятника.

Приведенная длина физического маятника

Скорость материальной точки, совершающей гармонические ко­лебания,

где Aω₀=V_max –амплитуда скорости.

Ускорение материальной точки при гармонических колебаниях:

где -амплитуда ускорения.

Свободные колебания пружинного маятника. Общие сведения

Цель работы. Ознакомиться с основными характеристиками незатухающих и затухающих свободных механических колебаний.

Задача. Определить период собственных колебаний пружинного маятника; проверить линейность зависимости квадрата периода от массы; определить жесткость пружины; определить период затухающих колебаний и логарифмический декремент затухания пружинного маятника.

Приборы и принадлежности. Штатив со шкалой, пружина, набор грузов различной массы, сосуд с водой, секундомер.

1. Свободные колебания пружинного маятника. Общие сведения

Колебаниями называются процессы, в которых периодически изменяется одна или несколько физических величин, описывающих эти процессы. Колебания могут быть описаны различными периодическими функциями времени. Простейшими колебаниями являются гармонические колебания – такие колебания, при которых колеблющаяся величина (например, смещение груза на пружине) изменяется со временем по закону косинуса или синуса. Колебания, возникающие после действия на систему внешней кратковременной силы, называются свободными.

Рассмотрим одну из простейших колебательных систем – пружинный маятник, представляющий собой груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине с коэффициентом жесткости k
(рис. 1). Пусть l0 – длина пружины без подвешенного к ней груза. При подвешивании груза под действием силы тяжести пружина растянется на x1 так, что маятник будет находиться в положении равновесия вследствие равенства модулей силы тяжести mg и упругой силы Fупр: mg = kx1, стремящейся вернуть груз в положение равновесия (полагается, что деформации пружины идеально упругие и подчиняются закону Гука).

Если груз вывести из положения равновесия, отклонив на величину x, то сила упругости возрастает: Fупр = – kx2= – k(x1 + x). Дойдя до положения равновесия, груз будет обладать отличной от нуля скоростью и пройдет положение равновесия по инерции. По мере дальнейшего движения будет увеличиваться отклонение от положения равновесия, что приведет к возрастанию силы упругости, и процесс повторится в обратном направлении. Таким образом, колебательное движение системы обусловлено двумя причинами: 1) стремлением тела вернуться в положении равновесия и 2) инерцией, не позволяющей телу мгновенно остановиться в положении равновесия. В отсутствии сил трения колебания продолжались бы сколь угодно долго. Наличие силы трения приводит к тому, что часть энергии колебаний переходит во внутреннюю энергию и колебания постепенно затухают. Такие колебания называются затухающими.

Незатухающие свободные колебания

Сначала рассмотрим колебания пружинного маятника, на который не действуют силы трения – незатухающие свободные колебания. Согласно второму закону Ньютона c учетом знаков проекций на ось X

(1)

Из условия равновесия смещение, вызываемое силой тяжести: . Подставляя в уравнение (1), получим: . Разделив правую и левую часть этого уравнения на m и принимая, что a = d2x/dt2, получим дифференциальное уравнение

. (2)

Это уравнение называется дифференциальным уравнением гармонических колебаний пружинного маятника. Из этого уравнения следует, что после прекращения внешнего воздействия, приводящего к первоначальному отклонению системы от положения равновесия, движение груза обусловлено только действием упругой силы (сила тяжести вызывает постоянное смещение).

Общее решение однородного дифференциального уравнения второго порядка (2) имеет вид

. (3)

Данное уравнение называется уравнением гармонических колебаний. Наибольшее отклонение груза от положения равновесия А0 называется амплитудой колебаний. Величина , стоящая в аргументе косинуса, называется фазой колебания. Постоянная φ0 представляет собой значение фазы в начальный момент времени (t = 0) и называется начальной фазой колебаний. Величина

(4)

есть круговая или циклическая частота собственных колебаний, связанная с периодом колебаний Т соотношением . Период колебаний определяется

. (5)

Рассмотрим свободные колебания пружинного маятника при наличии силы трения (затухающие колебания). В простейшем и вместе с тем наиболее часто встречающемся случае сила трения пропорциональна скорости υ движения:

где r – постоянная, называемая коэффициентом сопротивления. Знак минус показывает, что сила трения и скорость имеют противоположные направления. Уравнение второго закона Ньютона в проекции на ось Х при наличии упругой силы и силы трения

Данное дифференциальное уравнение с учетом υ = dx/dt можно записать

, (8)

где – коэффициент затухания; – циклическая частота свободных незатухающих колебаний данной колебательной системы, т. е. при отсутствии потерь энергии (β = 0). Уравнение (8) называют дифференциальным уравнением затухающих колебаний.

Чтобы получить зависимость смещения x от времени t, необходимо решить дифференциальное уравнение (8). В случае малых затуханий () решение уравнения можно записать следующим образом:

, (9)

где А0 и φ0 – начальная амплитуда и начальная фаза колебаний;
– циклическая частота затухающих колебаний при ω >> ω ≈ ω0.

Движение груза в этом случае можно рассматривать как гармоническое колебание с частотой ω и переменной амплитудой, меняющейся по закону:

. (10)

На графике функции (9), рис. 2, пунктирными линиями показано изменение амплитуды (10) затухающих колебаний.

Рис. 2. Зависимость смещения х груза от времени t при наличии силы трения

Для количественной характеристики степени затухания колебаний вводят величину, равную отношению амплитуд, отличающихся на период, и называемую декрементом затухания:

. (11)

Часто используют натуральный логарифм этой величины. Такой параметр называется логарифмическим декрементом затухания:

. (12)

Если за время t‘ амплитуда уменьшается в n раз, то из уравнения (10) следует, что

. (13)

Отсюда для логарифмического декремента получаем выражение

. (14)

Если за время t‘ амплитуда уменьшается в е раз (е = 2,71 – основание натурального логарифма), то система успеет совершить число колебаний

. (15)

Следовательно, логарифмический декремент затухания – величина, обратная числу колебаний, совершаемых за то время, за которое амплитуда уменьшается в е раз. Чем больше θ, тем быстрее происходит затухание колебаний.

2. Методика эксперимента и экспериментальная установка

Рис. 3. Схема установки

Установка состоит из штатива 1 с измерительной шкалой 2. К штативу на пружине 3 подвешиваются грузы 4 различной массы. При изучении затухающих колебаний в задании 2 для усиления затухания используется кольцо 5, которое помещается в прозрачный сосуд 6 с водой.

В задании 1 (выполняется без сосуда с водой и кольца) в первом приближении затуханием колебаний можно пренебречь и считать гармоническими. Как следует из формулы (5) для гармонических колебаний зависимость T 2 = f (m) – линейная, из которой можно определить коэффициент жесткости пружины k по формуле

, (16)

где – угловой коэффициент наклона прямой T 2 от m.

Задание 1. Определение зависимости периода собственных колебаний пружинного маятника от массы груза.

1. Определить период колебаний пружинного маятника при различных значениях массы груза m. Для этого с помощью секундомера для каждого значения m трижды измерить время t полных n колебаний (n ≥10) и по среднему значению времени вычислить период . Результаты занести в табл. 1.

2. По результатам измерений построить график зависимости квадрата периода T2 от массы m. Из углового коэффициента графика определить жесткость пружины k по формуле (16).

Результаты измерений для определения периода собственных колебаний

, с

, с

Свободные незатухающие колебания

Пусть материальная точка совершает прямые гармонические колебания вдоль оси ОХ

, тогда

и

, где

– амплитуда скорости;

– амплитуда ускорения.

По второму закону Ньютона сила, действующая на материальную точку

.

Такая зависимость силы от смещения характерна для упругой силы.

Силы иной физической природы, удовлетворяющие тому же виду зависимости, называются квазиупругими.

Кинетическая энергия материальной точки, совершающей прямолинейные гармонические колебания, равна

или

.

Кинетическая энергия К изменяется от 0 до , совершая гармонические колебания с частотой 2ω₀ и амплитудой около среднего значения, равного .

Потенциальная энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания под действием квазиупругой силы, равна

или

.

Таким образом потенциальная энергия W периодически изменяется от 0 до , совершая гармонические колебания с циклической частотой 2ω₀ и амплитудой около среднего значения, равного .

Колебания потенциальной и кинетической энергии совершаются со сдвигом по фазе на π , так что полная механическая энергия материальной точки не изменяется при гармонических колебаниях:

E, K, W

E

K

W

Линейный гармонический осциллятор– (например, пружинный маятник).

или

Это уравнение является дифференциальным уравнением гармонических колебаний, решением которого является

,

где

Импульс гармонического осциллятора

.

Если из системы уравнений р(t) и x(t) исключить время то после преобразований приходим к уравнению, которое на координатной плоскости х, р (фазовой плоскости) является уравнением эллипса

.

График зависимости р = р(х) называют фазовой траекторией. Любая точка этой траектории соответствует состоянию осциллятора в некоторый момент времени. Ниже представлены фазовые траектории свободных незатухающих колебаний, образующих семейство подобных эллипсов (отношение длин полуосей равно k 2 ).

Каждому эллипсу соответствует определённый уровень энергии осциллятора. Площадь эллипса равна произведению его полуосей, умноженному на :

.

Следовательно, для полной энергии осциллятора можно записать ,

где интеграл представляет из себя площадь, охватываемую фазовой кривой.

Физический маятник – твёрдое тело, которое может вращаться под действием своей силы тяжести mg вокруг неподвижной горизонтальной оси О , не проходящей через центр масс тела и называемой осью качания маятника.

Если пренебречь силами трения в подвесе маятника, то момент относительно оси качания создаёт только mg и при отклонении маятника на угол α эта сила создаёт момент численно равный и стремящийся возвратить маятник в положение равновесия (α = 0).

В соответствии с основным законом динамики твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, уравнение движения физического маятника имеет вид

, где

– расстояние от центра масс маятника до оси качания;

J – момент инерции маятника относительно той же оси.

При малых колебаниях . Тогда

и угол α удовлетворяет дифференциальному уравнению гармонических колебаний

, где

– амплитуда колебаний угла .

Математический маятник – предельный случай физического маятника – материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити и совершающая колебания в вертикальной плоскости под действием силы тяжести.

В этом случае d = l – длина математического маятника, а J = ml 2 .

Соответственно .

Длина математического маятника, имеющего такой же период колебаний, что и данный физический маятник называется приведённой длиной l_пр этого физического маятника

.

Точка О₁ , лежащая на прямой ОС на расстоянии l_пр от точки подвеса О , называется центром качания физического маятника. Точки О и О₁ обладают свойством взаимности.