Колебательное движение. Характеристики колебаний.

Колебательными называются процессы, при которых параметры, характеризующие состояние колебательной системы, обладают определённой повторяемостью во времени. Такими процессами, например, могут являться суточные и годовые колебания температуры атмосферы и поверхности Земли, колебания маятников и т.д.

Если промежутки времени, через которые состояние системы повторяется, равны между собой, то колебания называются периодическими, а промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы – периодом колебаний.

Для периодических колебаний функция, определяющая состояние колеблющейся системы, повторяется через период колебаний:

Среди периодических колебаний особое место занимают колебания гармонические, т.е. колебания, при которых характеристики движения системы изменяются по гармоническому закону, например:

Наибольшее внимание, уделяемое в теории колебаний именно часто встречающимся на практике гармоническим процессам, объясняется как тем, что для них наиболее хорошо развит аналитический аппарат, так и тем, что любые периодические колебания (и не только периодические) могут быть рассмотрены в виде определённой комбинации гармонических составляющих. В силу этих причин далее будут рассмотрены преимущественно гармонические колебания. В аналитическом выражении гармонических колебаний величина x отклонения материальной точки от положения равновесия называется смещением.

Очевидно, что максимальное отклонение точки от положения равновесия равно a, эта величина называется амплитудой колебаний. Физическая величина, равная:

и определяющая состояние колеблющейся системы в данный момент времени, называется фазой колебаний. Значение фазы в момент начала от счёта времени

называется начальной фазой колебаний. Величина w в выражении фазы колебаний, определяющая быстроту колебательного процесса, называется его круговой или циклической частотой колебаний.

Состояние движения при периодических колебаниях должно повторяться через промежутки времени, равные периоду колебаний T. При этом, очевидно, фаза колебаний должна изменятся на 2p (период гармонической функции), т.е.:

Отсюда следует, что период колебаний и циклическая частота связаны между собой соотношением:

Скорость точки, закон движения которой определяется, также изменяется по гармоническому закону

Отметим, что смещение и скорость точки неодновременно обращаются в нуль или принимают максимальные значения, т.е. смешение и скорость отличаются по фазе.

Аналогично получаем, что ускорение точки равно:

Из выражения для ускорения видно, что оно смещено по фазе относительно смещения и скорости. Хотя смешение и ускорение одновременно проходят через нуль, в этот момент времени они имеют противоположные направления, т.е. смещены на p. Графики зависимостей смещения, скорости и ускорения от времени при гармонических колебаниях представлены условном масштабе на рисунке

Из закона гармонического движения, пользуясь формулами тригонометрических преобразований, можно записать:

Собственные колебания.

Основные особенности собственных колебаний рассмотрим на примере механической колебательной системы с одной степенью свободы, т.е. такой системы, положение которой можно в любой момент времени определять только одной координатой. Будем считать, что размеры тела достаточно малы, чтобы его можно было рассматривать как материальную точку. Предположим, что при выводе тела из положения равновесия на него будут действовать силы, пропорциональные смещению и направленные противоположно этому смещению -kx. Как говорилось выше, трением, сопротивлением среды можно пренебречь. Внутренние же силы, величина и направление которых определяются смещением из положения равновесия, могут быть, например, силами упругости или силами другой природы, но изменяющимися так же, как и упругие . Такие силы, независимо от их природы, будем называть 'квазиупругими'. С учётом этих сил дифференциальное уравнение движения принимает вид

Решением дифференциального уравнения движения имеет вид гармонической функции

Строгое доказательство этого даёт теория дифференциальных уравнений, мы же легко можем убедиться в справедливости этого утверждения путём подстановки решения в уравнение

Как видно, равенство будет соблюдаться для любого момента времени, если:

Действительно, отношение можно представить в виде квадрата некоторой величины, поскольку масса тела, коэффициент упругости и, следовательно, само отношение положительны. Как коэффициент k, так и масса тела являются внутренними параметрами колебательной системы, поэтому циклическая частота колебаний w не зависит от начальных условий. От начальных условий зависит только амплитуда колебаний и начальная фаза, которые можно найти из начальных условий, как это было показано ранее. Скорость и ускорение тела при собственных колебаниях также изменяются по гармоническому закону:

Затухающие колебания.

Выясним теперь характер колебаний рассмотренной системы при наличии трения. При этом будем полагать, что силы трения пропорциональны скорости тела и противоположно ей направлены. Такими силами, например, являются силы вязкого трения при достаточно малых скоростях движения тела. Если тело выведено из положения равновесия на величину x и при этом имеет скорость , то на него будут действовать квазиупругая сила F=-kx и сила сопротивления движению , где, m - коэффициент сопротивления. По второму закону динамики напишем дифференциальное уравнение движения

Введём обозначения и . C учётом этих обозначений дифференциальное уравнение принимает вид

Исходя из сказанного, решение уравнения будем искать в виде

Если выражение

действительно является решением уравнения, то после подстановки в мы должны получить тождество:

Очевидно, тождество будет выполняться для любого произвольного момента времени, если будут выполняться следующие условия

Из условия получаем дифференциальное уравнение для определения амплитуды колебаний

Разделяя переменные, получаем уравнение, удобное для интегрирования

Решением этого уравнения является функция ,

где А₀ - постоянная интегрирования, которую можно определить из начальных условий.

частота колебаний действительно отличается от частоты собственных колебаний и равна

Период колебаний соответственно равен:

Скорость и ускорение колебаний тела при наличии вязкого трения определяются соотношениями

Вынужденные колебания.

Вынужденными называются колебания системы, возникающие под воздействием внешней силы. Характер этих колебаний определяется как свойствами самой колебательной системы, так и внешней силой. Основные особенности вынужденных колебаний рассмотрим на примере уже известной колебательной системы при условии, что на колеблющееся тело кроме сил упругости и вязкого трения действует ещё внешняя периодическая сила, изменяющаяся по гармоническому закону:

По основному закону динамики можно составить дифференциальное уравнение движения:

Здесь, как и ранее: и

Если гармоническая функция действительно является решение всего неоднородного уравнения, то после её подстановки в уравнение мы должны получить тождество

Как легко заметить, тождество будет выполняться при соблюдении следующих условий:

Из условия получаем выражение для начальной фазы:

Возводя в квадрат и складывая и, получим выражение для амплитуды колебаний

Для экстремальных значений подкоренного выражения производная от него по частоте должна обращаться в нуль

Приведенному условию соответствует два значения частоты колебаний:

Вторая производная от подкоренного выражения по частоте равна

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910Следующая