Уравнение гармонического колебательного движения

Общие сведения.

Колебания.

Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости или такое движение, при котором система многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз вновь возвращается к нему. Если этот возврат осуществляется через равные промежутки времени, то колебания называются периодическими.

В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные, электромеханические и т.д. Здесь мы будем рассматривать механические колебания.

Колебания широко распространены в природе и технике. Во многих случаях они играют отрицательную роль (колебания моста, вибрации корпуса корабля, вибрации крыльев самолета и т.п.). В подобных случаях задача состоит в том, чтобы предотвратить возникновение колебаний.

Вместе с тем колебательные процессы лежат в самой основе различных отраслей техники. Так, например, на колебательных процессах основана вся радиотехника.

ПРИМЕРЫ колебательных движений: вибрация струны, движение поршня, суточные и годичные изменения температуры воздуха, морские приливы-отливы, биение сердца, тепловое движение ионов кристаллической решетки твердого тела, переменный ток и его электромагнитное поле, движение электронов в атоме и т.д.

Всевозможные колебательные движения имеют два общих характерных признака:

1. До начала колебаний и после их окончания тело находится в положении равновесия;

2. Наличие силы, которая возникает, как только тело выходит из положения равновесия. Эта сила пропорциональна смещению и направлена в сторону, противоположную смещению тела (направлена к положению равновесия). Для такой силы справедливо . Называется такая сила упругой силой. Под действием такой силы, например, может сжиматься и разжиматься пружина.

Но может случиться, что сила иного происхождения обнаруживает такую же закономерность.

Рассмотрим колебания математического маятника (рис. 8.1).

Отклоним маятник на некоторый угол j от положения равновесия и разложим силу тяжести на две составляющие:

- P_t – перпендикулярную нити;

- P_n – параллельную нити.

Под действием силы P_t шарик будет стремиться вернуться в положение равновесия. P_t=P· sin j. При малых углах sin j @ j и тогда Pt=-m·g·j. Знак «-», т.к. сила P_t препятствует возрастанию угла j. Сила P_t не упругая сила, но по своему действию и характеру аналогична упругой силе. Такая сила называется квазиупругой силой.

Несмотря на большое разнообразие колебательных процессов, как по физической природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым общим закономерностям и могут быть сведены к совокупности простейших периодических колебаний, называемых гармоническими (от греческого “гармоникс” – стройный).

Пусть на некоторое тело массы “m” действует квазиупругая сила , под действием которой тело приобретает ускорение “a”, тогда по II-закону Ньютона и, следовательно (пример, колебание шарика, подвешенного к пружинке). Здесь движение (колебательный процесс) происходит вдоль оси “x”.

Далее ; и ; тогда или .

Колебательный процесс возможен, если коэффициент при “x” положителен, представим его в виде (здесь w₀ – вещественная величина). Тогда получим:

– дифференциальное уравнение гармонического колебания.

Таким образом, движение шарика на пружинке под действием силы описывается линейным однородным дифференциальным уравнением 2-го порядка.

Решением такого уравнения является функция вида:

, (8.1)

где А – амплитуда колебаний, величина наибольшего отклонения системы от положения равновесия. Определяется величиной первоначального отклонения (А = const > 0).

(w₀t+j) – фаза колебаний. Физический смысл фазы состоит в том, что она определяет смещение колеблющейся точки в любой момент времени. Постоянная j представляет собой значение фазы в момент времени t = 0 и называется начальной фазой колебания. Из уравнения следует, что фазам, отличающимся на величину, кратную 2p, соответствуют одинаковые смещения.

Так как смещение системы при колебательном движении представляет периодическую функцию от времени, то и скорость и ускорение такой системы будут также в точности повторяться через равные промежутки времени T, за который фаза колебаний получит приращение, кратное 2p. Этот промежуток времени T называется периодом колебаний (или иначе T – это время, за которое совершается полный цикл колебаний).

(8.2)

С учетом получим

. (8.3)

Из формулы видно, что период колебаний зависит только от свойств самой системы.

Для описания колебательного периодического движения вводится еще несколько величин:

а) n – частота колебаний – это величина численно равная числу колебаний в единицу времени. . За единицу частоту (1Гц) принимают частоту такого колебания, период которого равен 1с.

б) w₀ = 2pn – круговая или циклическая частота (w₀ – число колебаний за 2p секунд).

Для колебательного процесса смещение, скорость и ускорение можно представить как аналитически:

1. .

2. .

3. .

так и графически (рис. 8.2).

Дата добавления: 2013-12-12