Выведите дифференциальное уравнение затухающих колебаний груза на пружине

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

«Изучение собственных колебаний пружинного маятника»

Главная > Документ

Министерство образования Российской Федерации

Лабораторная работа №7

на тему: «Изучение собственных колебаний пружинного маятника»

Выполнил: студент гр.

Ижевск, 200 г.

Цель работы: исследовать зависимость параметров колебательного движения от свойств пружины.

Гармоническими называются такие колебания, при которых колеблющаяся во времени величина изменяется по закону синуса или косинуса.

Пружинный маятник- это груз массы m, подвешенный на абсолютно упругой пружине, совершающий прямолинейные гармонические колебания под действием упругой силы F. Период колебания пружинного маятника зависит от массы груза и коэффициента жесткости пружины.

3. Если в системе действующих силы трения, то имеют место затухающие колебания. Выведем дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Рассмотрим случай, когда сила трения пропорциональна первой степени скорости , где r- коэффициент пропорциональности. Запишем 2 закон Ньютона для колеблющих систем:

ma = -kx — rV уравнение затухающих колебаний

; дифференциальное уравнение.

Будем искать решение виде x= а(t) cos (t+), где а(t)- функция от t.

Решая уравнение надо найти выражение для  и а(t).

Подставим все у уравнение:

чтобы равенство нулю соблюдалось при всех значениях t, необходимо чтобы сумма членов содержащих sin и cos по отдельности равнялись нулю. Сгруппируем члены в уравнения

; ; ;

Возьмем интеграл: ,

где - коэффициент затухания.

Амплитуда со временем затухает по экспотонциальному закону:

а= а 0 е —  t 

 2 a — a 2 — 2 2 a +  2 0 a = 0 ;

Коэффициент затухания  характеризует скорость затухания.

Логарифмический декриментом затухания называется логарифм отношения двух последовательных амплитуд отстоящих друг от друга на период. =Т.

Для характеристики колебательной системы часто употребляется величена Q=/=N e — называется добротностью колебательной системы. Добротность пропорциональна числу колебаний N e , совершенных за время , за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз.

Обработка результатов, расчет погрешностей.

Найдем среднее значение k i  и погрешность k.

Для первой пружины.

m 1 =0,2кг; х 1 =0,045м.;

H/м

m 2 =0,4кг; х 2 =0,085м.;

Н/м

m 3 =0,6кг; х 3 =0,145м.;

Н/м

m 4 =0,8кг; х 4 =0,185м.;

Н/м

k=Н/м

;

для второй пружины.

m 1 =0,2кг; х 1 =0,025м.;

H/м

m 2 =0,4кг; х 2 =0,053м.;

Н/м

m 3 =0,6кг; х 3 =0,085м.;

Н/м

m 4 =0,8кг; х 4 =0,115м.;

Н/м

k=Н/м

;

Найдем среднее значение декримента затухание и погрешность

, где А 0 -начальная амплитуда;

А — амплитуда N-го колебания; N- число колебаний.

А 0 = 0,255 м. А=0,25м.

Для первой пружины без демпфера.

N=12

N=10

N=9

N=16

N=14

=

;

Для первой пружины с демпфером.

N=5

N=4

N=5

N=6

N=6

=

;

Декремент затухания с демпфером больше, чем затухание без демпфера.

Вывод: исследовали зависимость параметров колебательного движения от свойств пружины и выяснили, что жесткость пружины прямо пропорционально зависит от массы и обратно пропорционально растяжению.

Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение

В реальных системах всегда существуют некоторые силы сопротивления, препятствующие развитию колебательных процессов. Для установления характера колебательного движения в этом случае будем считать, что наряду с упругой или квазиупругой силой F_y в системе действует сила трения, пропорциональная скорости и направленная противоположно ей: F_тр = . Тогда учет влияния этих двух сил на характер движения приводит к следующему дифференциальному уравнению:

(8)

Разделив левую и правую части уравнения (8) на m , обозначив r/m = 2b и сохранив обозначение к/m = w₀ 2 , приведем это уравнение к виду:

(9)

Решение этого уравнения имеет вид:

(10)

Формула (10) представляет собой смещение при затухающем колебании как функцию времени и параметров системы b и w. Коэффициент b = r/2m имеет смысл коэффициента затухания. Из формулы (10) видно, что в затухающих колебаниях амплитуда уменьшается со временем. Причем, колебания затухают тем быстрее, чем больше коэффициент затухания b. По сравнению с гармоническими колебаниями уменьшается также и циклическая частота колебаний. Это уменьшение зависит от коэффициента затухания. Оказывается, что

(11)

Колебательный процесс может происходить лишь при условии:
(w₀ 2 — b 2 )>0, когда частота w в формуле (11) является действительной величиной . Если же затухание в системе слишком велико (w₀

Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 1895 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ