5. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний - Учебное пособие Уфа 2008 удк 531(075. 3) Ббк 22. 2я73


^ 5. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний


Рассмотрим результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты , происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у. Для простоты отсчета начальную фазу первого колебания возьмем равной нулю:

(11.35)

Разность фаз обоих колебаний равна , A и В – амплитуды складываемых колебаний.

Уравнение траектории результирующего колебания находится исключением из выражений (11.35) параметра t. Запишем складываемые колебания в виде

После несложных преобразований получим уравнение эллипса:

(11.36)

Оси эллипса ориентированы относительно координатных осей произвольно. Так как траектория результирующего колебания имеет форму эллипса, то такие колебания называются эллиптически поляризованными.

Ориентация осей эллипса и его размеры зависят от амплитуд складываемых колебаний и разности фаз. Рассмотрим некоторые частные случаи, представляющие физический интерес:

1) . В данном случае эллипс вырождается в отрезок прямой

(11.37)

где знак плюс соответствует нулю и четным значениям т (рис. 11.5, а), знак минус – нечетным значениям т (рис. 11.5, б). Результирующее колебание является гармоническим колебанием с частотой и амплитудой , совершающимся вдоль прямой (11.37), составляющей с осью х угол

В данном случае имеем дело с линейно поляризованными колебаниями.

2) . В данном случае уравнение примет вид

(11.38)












Рис.11.5, а

Рис.11.5, б

Рис.11.5, в



Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат, а его полуоси равны соответствующим амплитудам (рис.11.5, в). Кроме того, если А=В, то эллипс (11.38) вырождается в окружность. Такие колебания называются циркулярно поляризованными колебаниями или колебаниями, поляризованными по кругу.

Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колебаний различны, то замкнутая траектория результирующего колебания довольно сложна. Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два взаимно перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу. Форма этих кривых зависит от соотношения амплитуд, частот и разности фаз складываемых колебаний. На рис. 11.6 представлены фигуры Лиссажу для различных соотношений частот (указаны слева) и разностей фаз (указаны вверху).





Рис.11.6


Отношение частот складываемых колебаний равно отношению числа пересечений фигур Лиссажу с прямыми, параллельными осям координат. По виду фигур можно определить неизвестную частоту по известной или определить отношение частот складываемых колебаний. Поэтому анализ фигур Лиссажу – широко используемый метод исследования соотношений частот и разности фаз складываемых колебаний, а также формы колебаний.


^ 6. Свободные затухающие колебания


Рассмотрим свободные затухающие колебания – колебания, амплитуда которых из-за потерь энергии реальной колебательной системы с течением времени уменьшается. Простейшим механизмом уменьшения энергии колебаний является ее превращение в теплоту вследствие трения в механических колебательных системах.

Закон затухающих колебаний определяется свойствами колебательных систем. Обычно рассматривают линейные системы – идеализированные реальные системы, в которых параметры, определяющие физические свойства системы, в ходе процесса не изменяются. Линейными системами являются, например, пружинный маятник при малых растяжениях пружины (когда справедлив закон Гука). Различные по своей природе линейные системы описываются идентичными линейными дифференциальными уравнениями, что позволяет подходить к изучению колебаний различной физической природы с единой точки зрения, а также проводить их моделирование, в том числе и на ЭВМ.

^ Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний линейной системы задается в виде

, (11.39)

где s – колеблющаяся величина, описывающая тот или иной физический процесс, = const – коэффициент затухания, – циклическая частота свободных незатухающих колебаний той же колебательной системы, т.е. при (при отсутствии потерь энергии) называется собственной частотой колебательной системы.

Решение уравнения (11.39) рассмотрим в виде

(11.40)

где u = u(t). После нахождения первой и второй производных выражения (11.40) и подстановки их в (11.39) получим

(11.41)

Решение этого уравнения зависит от знака коэффициента перед искомой величиной. Рассмотрим случай, когда этот коэффициент положителен:

(11.42)

Тогда получим уравнение типа (11.4): .

Решением его является функция .

Таким образом, решение уравнения (11.39) в случае малых затуханий есть

(11.43)

где , (11.44)

– амплитуда затухающих колебаний, – начальная амплитуда.

Промежуток времени , в течение которого амплитуда затухающих колебаний уменьшается в е раз, называется временем релаксации.

Затухание нарушает периодичность колебаний, поэтому затухающие колебания не являются периодическими и, строго говоря, к ним неприменимо понятие периода или частоты. Однако если затухание мало, то можно условно пользоваться понятием периода как промежутка времени между двумя последующими максимумами (или минимумами) колеблющейся физической величины. Тогда период затухающих колебаний равен

Если A(t) и A(t+T) – амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, то отношение называется декрементом затухания, а его логарифм

(11.45)

– логарифмическим декрементом затухания; N – число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания – постоянная для данной колебательной системы величина.

Для характеристики колебательной системы пользуются понятием добротности Q, которая при малых значениях логарифмического декремента равна

(11.46)

(так как затухание невелико (), то Т принято считать равным T0).

Из формулы (11.46) следует, что добротность пропорциональна числу колебаний N, совершаемых системой за время релаксации.

Применим выводы, полученные для свободных затухающих колебаний линейных систем, для механических колебаний. В качестве примера рассмотрим пружинный маятник.

Для пружинного маятника массой т, совершающего малые колебания под действием упругой силы F=-kx, сила трения пропорциональна скорости, т.е. где – коэффициент сопротивления; знак минус указывает на противоположные направления силы трения и скорости.

При данных условиях закон движения маятника будет иметь вид

(11.47)

Используя формулу и принимая, что коэффициент затухания

, (11.48)

получим дифференциальное уравнение затухающих колебаний маятника:

Из предыдущих выражений вытекает, что маятник колеблется по закону

(11.49)

с частотой .

Добротность пружинного маятника .

При увеличении коэффициента затухания период затухающих колебаний растет и при обращается в бесконечность, т.е. движение перестает быть периодическим. В данном случае колеблющаяся величина асимптотически приближается к нулю, когда . Процесс не будет колебательным. Он называется апериодическим.


^ 7. Вынужденные колебания


Чтобы в реальной механической колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью периодически действующей вынуждающей силы, изменяющейся по гармоническому закону:

(11.50)

С учетом силы (11.50) закон движения для пружинного маятника запишется в виде.

Используя соответствующие обозначения, придем к уравнению

(11.51)

Колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы, называются вынужденными механическими колебаниями.

Решение уравнения (11.51) равно сумме общего решения однородного уравнения (11.47) и частного решения неоднородного уравнения. Частное решение найдем в комплексной форме. Заменим правую часть уравнения (11.51) на комплексную величину :

(11.52)

Частное решение этого уравнения будем искать в виде

Найдем производные для : . Подставляя выражение для и его производных в уравнение (11.52), получим

(11.53)

Так как это равенство должно быть справедливым для всех моментов времени, то время t из него должно исключаться. Отсюда следует, что . Тогда (11.53) имеет вид Найдем отсюда величину x0 : Оно имеет вид

Это комплексное число удобно представить в экспоненциальной форме: где

(11.54)

и (11.55)

Следовательно, решение уравнения (11.53) в комплексной форме примет вид:

Его вещественная часть равна

, (11.56)

где и задаются соответственно формулами (11.54) и (11.55).

Таким образом, частное решение неоднородного уравнения (11.52) имеет вид

(11.57)

Решение уравнения (11.52) равно сумме общего решения однородного уравнения

(11.58)

и частного решения (11.57). Слагаемое (11.58) играет существенную роль только в начальной стадии процесса (при установлении колебаний) до тех пор, пока амплитуда вынужденных колебаний не достигнет значения, определяемого равенством (11.54). Следовательно, в установившемся режиме вынужденные колебания происходят с частотой и являются гармоническими; амплитуда и фаза колебаний, определяемые выражениями (11.54) и (11.55), также зависят от .


^ 8. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс


Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты .

Из формулы (11.54) следует, что амплитуда А смещения имеет максимум. Чтобы определить резонансную частоту – частоту, при которой амплитуда А смещения достигает максимума, – нужно найти максимум функции (11.54), или, что то же самое, минимум подкоренного выражения. Продифференцировав подкоренное выражение по и приравняв нулю, получим условие, определяющее : .

Это равенство выполняется при и , у которых только лишь положительное значение имеет физический смысл. Следовательно, резонансная частота

(11.59)

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте называется механическим резонансом. При значение практически совпадает с собственной частотой колебательной системы. Подставляя (11.59) в формулу (11.54), получим

(11.60)

На рис. 11.7 приведена зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты при различных значениях .





Рис.11.7


Из (11.59) и (11.60) вытекает, что чем меньше , тем выше и правее лежит максимум данной кривой. Если , то все кривые приходят к одному и тому же, отличному от нуля, предельному значению , так называемому статическому отклонению. Если , то все кривые асимптотически стремятся к нулю. Приведенная совокупность кривых называется резонансными кривыми.

Из формулы (11.60) вытекает, что при малом затухании () резонансная амплитуда смещения , где Q – добротность колебательной системы, – статическое отклонение. Отсюда следует, что добротность Q характеризует резонансные свойства колебательной системы: чем больше Q, тем больше . На рис. 11.8 представлены резонансные кривые для амплитуды скорости. Амплитуда скорости максимальна при и равна , т.е. чем больше коэффициент затухания, тем ниже максимум резонансной кривой.

Из выражения следует, что если затухание в системе отсутствует, то только в этом случае колебания и вынуждающая сила имеют одинаковые фазы.






Рис.11.8


Зависимость от при разных коэффициентах представлена на рис.11.9. Отсюда следует, что при изменении изменяется и сдвиг фаз . Из формулы (11.55) вытекает, что при , а при независимо от значения коэффициента затухания , т.е. сила опережает по фазе колебания на р/2. При дальнейшем увеличении щ сдвиг фаз возрастает и при , т.е. фаза колебаний почти противоположна фазе внешней силы. Семейство кривых, изображенных на рис. 11.9, называется фазовыми резонансными кривыми.

Явления резонанса могут быть как вредными, так и полезными. Например, при конструировании машин и различного рода сооружений необходимо, чтобы собственная частота колебаний их не совпадала с частотой возможных внешних воздействий, в противном случае возникнут вибрации, которые могут вызвать серьезные разрушения. С другой стороны, наличие резонанса позволяет обнаружить даже очень слабые колебания, если их частота совпадает с частотой собственных колебаний прибора. Так, радиотехника, прикладная акустика, электротехника, используют явление резонанса.







Рис.11.9



6377187564628401.html
6377243564762332.html
6377353239588241.html
6377424537098516.html
6377584573765328.html