Вынужденные колебания

 

Реферат

На тему «Вынужденные колебания»

Студента I –го курса гр. 107

Шлыковича Сергея

Минск 2001

Вначале рассмотрим затухающие колебания.

Во всякой реальной колебательной системе всег­да имеется сила трения (для механической систе­мы), или электрическое сопротивление (для колебательного контура), действие которых приводит к уменьшению энергии системы. Если убыль этой энергии не восполняется, то  колебания будут затухать.

      Рассмотрим механические колебания. В большинстве случаев сила трения пропорциональна скорости.

. (1.1)

Где r — постоянная, которая называется коэффициентом трения. Знак минус обуслов­лен тем, что сила F и скорость v направлены в про­тивоположные стороны.

Уравнение второго закона Ньютона при наличии силы трения имеет вид

. (1.2)

Применим следующие обозначения

,  (1.3)

Тогда

  (1.4)

Где щ₀ — собственная частота коле­бательной системы.

Будем искать решение уравнения в виде

(1.5)

Найдём первую и вторую производные

Подставим выражения   в уравнение (1.5)

Сократим на

 (1.6)

Решение уравнения (1.6) зависит от знака коэф­фициента, стоящего при и. Рассмотрим случай, когда этот коэффициент положителен (т. е. b<щ₀ — тре­ние мало). Введя обозначение , придем к уравнению

Решением этого уравнения будет функция  

Подставляя это выражение в уравнение (1.5), имеем

(1.7)

Здесь A₀ и б — постоянные, значения которых зави­сят от начальных условий, щ — величина, определяе­мая формулой

.

Скорость затухания колебаний определяется ве­личиной , которую называют коэффи­циентом затухания.

Для характеристики колебательной системы употребляется также величина

называемая добротностью колебательной си­стемы. Она пропорциональна числу колебаний N_e , совершаемых системой за то время t, за которое амплитуда колебаний уменьшается в e раз.

Вынужденные колебания.

Допустим, что механическая колебательная система подвергается действию внешней силы, изме­няющейся со временем по гармоническому закону:

 (2.1)

В этом случае уравнение   второго   закона Ньютона имеет вид

Введя   обозначения   (1.3),   преобразуем   уравнение приобретёт вид:

 (2.2)

Здесь b — коэффициент затухания, щ₀ — собственная частота колебательной системы,       щ — частота выну­ждающей силы.

Дифференциальное уравнение (2.2) описывает вынужденные колебания. Решение этого уравнения равно сумме общего решения соответствующего однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения. Общее решение однородного уравнения уже найдено (1.7), оно имеет вид

(2.3)

Где .

Попробуем найти частное решение (2.2) в виде   (2.4)

где  — неизвестный пока сдвиг фаз между силой и вызываемыми ею колебаниями.

       (2.5)

     (2.6)

Развернем  и  по формулам для синуса и косинуса разности и подставим в формулу (2.2) :

Сгруппируем члены уравнения:

(2.7)

Уравнение (2.7) будет тождественно при любых значениях t тогда, когда коэффициенты при cosщt и sinщt в обеих частях уравнения будут оди­наковыми.

   (2.8)

      (2.9)

Найдём значения A и  при которых функция (2.4) удовлетворяет уравне­нию (2.2). Для этого возведём равенства (2.8) и (2.9) в квадрат и сложим их друг с другом

      (2.10)

Из (2.9) следует, что

    (2.11)

Подставим значения A и в (2.4) и получим частное решение неоднородного уравнения (2.2):

       (2.12)

Общее решение имеет вид

Первое слагаемое  играет за­метную роль только в начальной стадии процесса, при установлении колебаний. С течением времени из-за экспоненциального множителя  роль слагаемого уменьшается, и по прошест­вии достаточного времени им можно пренебречь, со­хранив в решении только второе.

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы (2.10) приводит к тому, что при некоторой частоте амплитуда достигает максимального значения. Колебательная система оказы­вается особенно отзывчивой на действие вынуждаю­щей силы при данной частоте. Это явление называет­ся резонансом, а соответствующая частота — резонансной частотой.

Для того чтобы определить резонансную частоту щ_рез, нуж­но найти максимум функции (2.10), т.е. продифференцировать это выражение по щ и приравняв производную нулю:

Решения этого уравнения щ=0 и , но два из них исключаются, т.к. решение, равное нулю, соответст­вует максимуму знаменателя, а  не имеет физического смысла (частота не может быть отрицательной).

  (2.13).  Следовательно          (2.14)

Зависимость амплиту­ды вынужденных колеба­ний от частоты ко­лебаний показана графически на рисунке слева. Кривые на графике соответствуют различным значениям параметра b. Чем меньше b, тем выше и правее лежит максимум резонансной кривой. При очень большом затухании   (таком, что b² > щ₀) выражение для ре­зонансной частоты становится мнимым. Это означает, что   резонанс   в   этом   случае   не   наблюдается — с увеличением частоты амплитуда монотонно убывает.

Изображенная на рисунке совокупность графиков функции (2.10) называется резонансными кривыми.

Согласно формуле (2.14) при малом затухании (т. е. при b<<щ₀) амплитуда при резонансе

Если разделить это выражение на смещение x₀ из положе­ния равновесия под действием постоянной силы F₀, равное . В результате получим, что

где - логарифмический декремент затухания.

Следовательно, добротность Q показывает, во сколько раз амплитуда при резо­нансе превышает смещение системы из положения равновесия под действием постоянной силы, модуль которой равен амплитуде вынуждающей силы (это справедливо лишь при небольшом затухании).

Литература:

И. В Савельев “Курс общей физики”.

P.S.

Данная лит-ра использовалась также при написании реферата на тему «Сложение колебаний».