Уравнение свободных колебаний модельных систем

Свободные колебания

1. Колебания. Общий подход к изучению колебаний различной физичес­
кой природы.

Колебаниями называются движения или процессы, которые обладают определенной повторяемостью во времени.

Колебания сопровождаются попеременным превращением энергии одного вида в энергию другого вида.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии, без дальнейшего внешнего воздействия на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Колебания называются вынужденными, если они происходят под действием периодически изменяющейся внешней силы.

Физическая природа колебаний может быть разной — различают механические, электромагнитные и др. колебания.

Но различные колебательные процессы описываются одинаковыми уравнениями, поэтому целесообразно изучать все колебательные процессы, используя общие свойства колебаний.

2. Гармонические колебания и их характеристики.

Гармоническими колебаниями называются колебания, при которых колеблющаяся физическая величина изменяется по закону синуса (или косинуса).

Различные периодические процессы (процессы, повторяющиеся через равные промежутки времени) могут быть представлены в виде суммы (суперпозиции) гармонических колебаний.

Гармоническое колебание величины s описывается уравнением типа

А —амплитуда колебания — максимальное значение колеблющейся величины;

ω- круговая (циклическая) частота;

φ — начальная фаза колебания в момент времени t=0;

(ωt +φ)— Фаза колебания в момент времени t.

Фаза колебания определяет значение колеблющейся величины в данный момент времени. Так как косинус изменяется в пределах от +1 до -1, то s может принимать значения от + А до — А .

Поскольку cos(a + 2π) = cosa, то при гармонических колебаниях увеличение (приращение) фазы колебания на 2π приводит к тому, что все величины, характеризующие колебание, принимают исходное значение.

Периодом колебанийT называется наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются состояния колеблющейся системы (совершается одно полное колебание) и фаза колебания получает приращение 2π

ω(t + T) + φ = (ωt + φ ) + 2

Частотой колебанийn называется величина обратная периоду колеба­ний — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени

Единица частоты — герц (Гц)— частота периодического процесса, при котором за 1 секунду совершается один цикл колебаний.

3. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний.

Первая (скорость) и вторая (ускорение) производные по времени от гармонически колеблющейся величины s также совершают гармонические колебания с той же циклической частотой:

Из последнего уравнения видно, что s удовлетворяет уравнению

или

Это уравнение называется дифференциальным уравнением гармони­ческих колебаний. Его решение:

4. Метод векторных диаграмм.

Гармонические колебания изображаются графически методом вращающегося вектора амплитуды или методом векторных диаграмм.

Из произвольной точки О, выбранной на оси х, под углом φ, равным начальной фазе

колебания, откладывается вектор А, модуль которого равен амплитуде А, рассматриваемого колебания. Если этот вектор будет вращаться

вокруг точки О с угловой скоростью со, то проекция вектора на ось х будет совершать колебания по закону s = A·cos(ωt + φ).

5. Экспоненциальная форма записи гармонических колебаний.

Согласно формуле Эйлера для комплексных чисел

где — мнимая единица. Поэтому уравнение гармонического колебания s = A·cos(ωt +φ) можно записать в комплексной экспоненциальной форме:

Физический смысл имеет только вещественная часть комплексной функции , которая и представляет собой гармоническое колебание:

Re( ) = A cos(ωt +φ) = s

6. Механические гармонические колебания.

Пусть материальная точка совершает прямолинейные гармонические

колебания вдоль оси х около положения равновесия принятого, за начало координат. Тогда для колеблющейся точки

Смещение: х= A·cos(ωt + φ)

Скорость: = = -Аωcos(ωt + φ + )

Ускорение:

a = = =Аω 2 cos(ωt + φ + )

Амплитуды скорости и ускорения равны Aω и Aω 2

Фаза скорости отличается от фазы смещения на , а фаза ускорения на .

Сила, действующая на колеблющуюся материальную точку массой т равна

Таким образом, сила пропорциональна смещению материальной точки и

направлена в сторону, противоположную смещению (к положению равновесия).

Такая зависимость от смещения характерна для упругих сил и поэтому силы,

которые аналогичным образом зависят от смещения, называются

Квазиупругими.

7. Энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания.

Кинетическая энергия материальной точки:

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

Полная энергия:

остается постоянной, с течением времени происходит только превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно.

8. Гармонический осциллятор.

Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, описываемые дифференциальным уравнением

Примерами гармонического осциллятора являются пружинный, математический и физический маятники и электрический колебательный контур.

9. Пружинный маятник.

Пружинный маятник — это груз массой т, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы

F =

где — жесткость пружины.

Уравнение движения маятника

или

Сравнивая это уравнение с уравнением движения

гармонического осциллятора , мы видим, что пружинный маятник совершает колебания по закону с циклической частотой и периодом:

Потенциальная энергия пружинного маятника:

Если на маятник действует сила трения, пропорциональная скорости ,где r — коэффициент сопротивления, то колебания маятника будут

затухающими и закон движения маятника будет иметь вид или

10. Математический маятник.

Математическим маятникомназывается идеализированная система,

состоящая из материальной точки массой т, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити длинной l, и колеблющейся под действием силы тяжести без трения.

Хорошим приближением математического маятника является небольшой тяжелый шарик, подвешенный на тонкой цлинной нити.

При малых углах отклонения а можно считать: x≈lα.

или

Следовательно, движение математического маятника описывается дифференциальным уравнением гармонических колебаний, то есть происходит по закону х= A·cos(ωt + φ) с частотой и периодом, соответственно:

11 .Физический маятник.

Физическим маятником называется твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг горизонтальной оси подвеса, не проходящей через центр масс тела.

Если физический маятник отклонен из положения равновесия на некоторый угол а, то момент возвращающей силы

С другой стороны, при малых углах

где J — момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса О,

l — расстояние между точкой подвеса и центром масс С маятника,

— возвращающая сила (со знаком минус, поскольку она всегда направленная противоположно направлению увеличения a).

Следовательно: , или

Таким образом, при малых колебаниях физический маятник совершает гармонические колебания с циклической частотой и периодом:

где длина — называется приведенной длиной физического ml маятника.

Приведенная длина физического маятника — это длина такого математического маятника, который имеет такой же период колебаний, что и данный физический маятник.

Точка О’ на продолжении прямой ОС, отстоящая от оси подвеса на расстоянии приведенной длины L, называется центром качаний физического маятника.

Математический маятник можно представить как частный (предельный) случай физического маятника, вся масса которого сосредоточена в его центре

масс. При этом J = ml 2 , следовательно .

12.Сложение гармонических колебаний.

Если система одновременно участвует в нескольких колебательных процессах, то под сложением колебаний понимают нахождение закона,

описывающего результирующий колебательный

Для сложения колебаний х₁ и х₂ , используем метод вращающегося вектора амплитуды (метод векторных диаграмм).

Так как векторы А₁, и А₂ вращаются с одинаковой угловой скоростью ω, то разность фаз между ними остается постоянной. Уравнение результирующего колебания будет

где амплитуда А и начальная фаза φ задаются соотношениями:

Сумма двух гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты есть гармоническое колебание в том же направлении и с той же частотой, что и складываемые колебания.

Амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз складываемых колебаний:

1)

2)

13. Биения.

Биениями называются периодические изменения амплитуды колебания, возникающие при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.

Пусть амплитуды складываемых колебаний равны А, а частоты равны ω и ω+Δω, причем Δω

Дата добавления: 2016-04-22 ; просмотров: 1645 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Свободные колебания.

Свободные колебания (или собственные колебания) — это колебания колебательной системы, совершаемые только благодаря первоначально сообщенной энергии (потенциальной или кинети­ческой) при отсутствии внешних воздействий.

Потенциальная или кинетическая энергия может быть сообщена, например, в механических системах через начальное смещение или начальную скорость.

Свободно колеблющиеся тела всегда взаимодействуют с другими телами и вместе с ними обра­зуют систему тел, которая называется колебательной системой.

Например, пружина, шарик и вертикальная стойка, к которой прикреплен верхний конец пружины (см. рис. ниже), входят в колебательную систему. Здесь шарик свободно скользит по струне (силы трения пренебрежимо малы). Если отвести шарик вправо и предоставить его самому себе, он будет совершать свободные колебания около положения равновесия (точки О) вследствие действия силы упругости пружины, направленной к положению равновесия.

Другим классическим примером механической колебательной системы является математический маятник (см. рис. ниже). В данном случае шарик совершает свободные колебания под действием двух сил: силы тяжести и силы упругости нити (в колебательную систему входит также Земля). Их равнодействующая направлена к положению равновесия.

Силы, действующие между телами колебательной системы, называются внутренними силами. Внешними силами называют­ся силы, действующие на систему со стороны тел, не входящих в нее. С этой точки зрения свобод­ные колебания можно определить как колебания в системе под действием внутренних сил после того, как система выведена из положения равновесия.

Условиями возникновения свободных колебаний являются:

1) возникновение в них силы, возвращающей систему в положение устойчивого равновесия, после того как ее вывели из этого состояния;

2) отсутствие трения в системе.

Динамика свободных колебаний.

Колебания тела под действием сил упругости. Уравнение колебательного движения тела под действием силы упругости F (см. рис.) может быть получено с учетом второго закона Ньютона (F = mа) и закона Гука (F_упр = -kx), где m — масса шарика, а — ускорение, приобретаемое шариком под действием силы упругости, k — коэффициент жесткости пружины, х — смещение тела от положения равновесия (оба уравнения записаны в проекции на горизонтальную ось Ох). Приравнивая правые части этих уравнений и учитывая, что ускорение а — это вторая производная от координаты х (смещения), получим:

.

Это дифференциальное уравнение движения тела, колеблющегося под действием силы упругости: вторая производная координаты по времени (ускорение тела) прямо пропорциональна его координате, взятой с противоположным знаком.

Колебания математического маятника. Для получения уравнения колебания математического маятника (рисунок) необходимо разложить силу тяжести F_T = mg на нормальную F_n (направлен­ную вдоль нити) и тангенциальную F_τ (касательную к траектории движения шарика — окружности) составляющие. Нормальная составляющая силы тяжести F_n и сила упругости нити F_ynp в сумме сооб­щают маятнику центростремительное ускорение, не влияющее на величину скорости, а лишь меня­ющее ее направление, а тангенциальная составляющая F_τ является той силой, которая возвращает шарик в положение равновесия и заставляет его совершать колебательные движения. Используя, как и в предыдущем случае, закон Ньютона для тангенциального ускорения ma_τ = F_τ и учитывая, что F_τ = -mg sinα, получим:

Знак минус появился потому, что сила и угол отклонения от положения равновесия α име­ют противоположные знаки. Для малых углов отклонения sin α ≈ α. В свою очередь, α = s/l, где s — дуга OA, I — длина нити. Учитывая, что а_τ = s», окончательно получим:

.

Вид уравнения аналогичен уравнению . Только здесь параметрами системы являются длина нити и ускорение свободного падения, а не жесткость пружины и масса шарика; роль координаты играет длина дуги (т. е. пройденный путь, как и в первом случае).

Таким образом, свободные колебания описываются уравнениями одного вида (подчиняются одним и тем же законам) независимо от физической природы сил, вызывающих эти колебания.

Решением уравнений и является функция вида:

То есть координата тела, совершающего свободные колебания, меняется с течением времени по закону косинуса или синуса, и, следовательно, эти колебания являются гармоническими:

В уравнении x = x_m cos ω₀ t (или x = x_m sin ω₀ t), х_m — амплитуда колебания, ω₀ — собственная циклическая (круговая) частота колебаний.

Циклическая частота и период свободных гармонических колебаний определяются свойствами системы. Так, для колебаний тела, прикрепленного к пружине, справедливы соотношения:

.

Собственная частота тем больше, чем больше жесткость пружины или меньше масса груза, что вполне подтверждается опытом.

Для математического маятника выполняются равенства:

.

Эта формула была впервые получена и проверена на опыте голландским ученым Гюйгенсом (современником Ньютона).

Период колебаний возрастает с увеличением длины маятника и не зависит от его массы.

Следует особо обратить внимание на то, что гармонические колебания являются строго периодическими (т. к. подчиняются закону синуса или косинуса) и даже для математического маятни­ка, являющегося идеализацией реального (физического) маятника, возможны только при малых углах колебания. Если углы отклонения велики, смещение груза не будет пропорционально углу отклонения (синусу угла) и ускорение не будет пропорционально смещению.

Скорость и ускорение тела, совершающего свободные колебания, также будут совершать гармонические колебания. Беря производную по времени функции (x = x_m cos ω₀ t (или x = x_m sin ω₀ t)), получим выражение для скорости:

где a_m = ω 2 ₀ x_m — амплитуда ускорения. Таким образом, амплитуда скорости гармонических коле­баний пропорциональна частоте, а амплитуда ускорения — квадрату частоты колебания.

Колебательное движение. Свободные колебания. Колебательные системы (Ерюткин Е.С.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Тема данного урока: «Колебательное движение. Свободные колебания. Колебательные системы». Вначале дадим определение нового вида движения, который мы начинаем изучать, – колебательного движения. Рассмотрим в качестве примера колебания пружинного маятника и определим понятие свободных колебаний. Также изучим, что такое колебательные системы, и обсудим условия, необходимые для существования колебаний.