Гармоническое колебание - явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:
где х - значение изменяющейся величины, t - время, остальные параметры - постоянные: А - амплитуда колебаний, ω - циклическая частота колебаний, - полная фаза колебаний, - начальная фаза колебаний.
Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде
(Любое нетривиальное решение этого дифференциального уравнения - есть гармоническое колебание с циклической частотой )
Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы после того, как система была выведена из положения равновесия. Чтобы свободные колебания были гармоническими, необходимо, чтобы колебательная система была линейной (описывалась линейными уравнениями движения), и в ней отсутствовала диссипация энергии (последняя вызвала бы затухание).
Вынужденные колебания совершаются под воздействием внешней периодической силы. Чтобы они были гармоническими, достаточно чтобы колебательная система была линейной (описывалась линейными уравнениями движения), а внешняя сила сама менялась со временем как гармоническое колебание (то есть чтобы зависимость от времени этой силы была синусоидальной).
|
Уравнение (1)
|
дает зависимость колеблющейся величины S от времени t; это и есть уравнение свободных гармонических колебаний в явном виде. Однако обычно под уравнением колебаний понимают иную запись этого уравнения, в дифференциальной форме. Возьмем для определенности уравнение (1) в виде
дважды продифференцируем его по времени:
Видно, что выполняется следующее соотношение:
которое и называется уравнением свободных гармонических колебаний (в дифференциальной форме). Уравнение (1) является решением дифференциального уравнения (2). Поскольку уравнение (2) - дифференциальное уравнение второго порядка, необходимы два начальных условия для получения полного решения (то есть определения входящих в уравнение (1) констант A и ); например, положение и скорость колебательной системы при t = 0.
Математи́ческий ма́ятник - осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую изматериальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения. Период малых собственных колебаний математического маятника длины l неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен
и не зависит от амплитуды и массы маятника.
Физический маятник - осциллятор, представляющий собой твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной оси, перпендикулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс этого тела.
Уравнение гармонического колебания устанавливает зависимость координаты тела от времени
График косинуса в начальный момент имеет максимальное значение, а график синуса имеет в начальный момент нулевое значение. Если колебание начинаем исследовать из положения равновесия, то колебание будет повторять синусоиду. Если колебание начинаем рассматривать из положения максимального отклонения, то колебание опишет косинус. Или такое колебание можно описать формулой синуса с начальной фазой .
Не только координата тела изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Но и такие величины, как сила , скорость и ускорение , тоже изменяются аналогично. Сила и ускорение максимальные, когда колеблющееся тело находится в крайних положениях, где смещение максимально, и равны нулю, когда тело проходит через положение равновесия. Скорость, наоборот, в крайних положениях равна нулю, а при прохождении телом положения равновесия - достигает максимального значения.
Если колебание описывать по закону косинуса
Если колебание описывать по закону синуса
Проанализировав уравнения зависимости v(t) и a(t), можно догадаться, что максимальные значения скорость и ускорение принимают в том случае, когда тригонометрический множитель равен 1 или -1. Определяются по формуле
Простейшим видом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых смещение колеблющейся точки от положения равновесия изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса.
Так, при равномерном вращении шарика по окружности его проекция (тень в параллельных лучах света) совершает на вертикальном экране (рис. 1) гармоническое колебательное движение.
Смещение от положения равновесия при гармонических колебаниях описывается уравнением (его называют кинематическим законом гармонического движения) вида:
где х - смешение - величина, характеризующая положение колеблющейся точки в момент времени t относительно положения равновесия и измеряемая расстоянием от положения равновесия до положения точки в заданный момент времени; А - амплитуда колебаний - максимальное смещение тела из положения равновесия; Т - период колебаний - время совершения одного полного колебания; т.е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения физических величин, характеризующих колебание; - начальная фаза;
Фаза колебании в момент времени t. Фаза колебаний - это аргумент периодической функции, который при заданной амплитуде колебаний определяет состояние колебательной системы (смещение, скорость, ускорение) тела в любой момент времени.
Если в начальный момент времени колеблющаяся точка максимально смещена от положения равновесия, то , а смещение точки от положения равновесия изменяется по закону
Если колеблющаяся точка при находится в положении устойчивого равновесия, то смещение точки от положения равновесия изменяется по закону
Величину V, обратную периоду и равную числу полных колебаний, совершаемых за 1 с, называют частотой колебаний:
Если за время t тело совершает N полных колебаний, то
Величину 
, показывающую, сколько колебаний совершает тело за с, называют циклической (круговой) частотой
.
Кинематический закон гармонического движения можно записать в виде:
Графически зависимость смещения колеблющейся точки от времени изображается косинусоидой (или синусоидой).
На рисунке 2, а представлен график зависимости от времени смещения колеблющейся точки от положения равновесия для случая .
Выясним, как изменяется скорость колеблющейся точки со временем. Для этого найдем производную по времени от этого выражения:
где - амплитуда проекции скорости на ось х.
Эта формула показывает, что при гармонических колебаниях проекция скорости тела на ось х изменяется тоже по гармоническому закону с той же частотой, с другой амплитудой и опережает по фазе смешение на (рис. 2, б).
Для выяснения зависимости ускорения найдем производную по времени от проекции скорости:
где - амплитуда проекции ускорения на ось х.
При гармонических колебаниях проекция ускорения опережает смещение по фазе на к (рис. 2, в).
Меняется во времени по синусоидальному закону:
где х — значение колеблющейся величины в момент времени t , А — амплитуда , ω — круговая частота, φ — начальная фаза колебаний, (φt + φ ) — полная фаза колебаний . При этом величины А , ω и φ — постоянные.
Для механических колебаний колеблющейся величиной х являются, в частности, смещение и скорость , для электрических колебаний — напряжение и сила тока .
Гармонические колебания занимают особое место среди всех видов колебаний, т. к. это единственный тип колебаний, форма которых не искажается при прохождении через любую однородную среду, т. е. волны, распространяющиеся от источника гармонических колебаний, также будут гармоническими. Любое негармоническое колебание может быть представлено в виде сумм (интеграла) различных гармонических колебаний (в виде спектра гармонических колебаний).
В процессе колебаний происходит переход потенциальной энергии W p в кинетическую W k и наоборот. В положении максимального отклонения от положения равновесия потенциальная энергия максимальна, кинетическая равна нулю. По мере возвращения к положению равновесия скорость колеблющегося тела растет, а вместе с ней растет и кинетическая энергия, достигая максимума в положении равновесия. Потенциальная энергия при этом падает до нуля. Дальней-шее движение происходит с уменьшением скорости, которая падает до нуля, когда отклонение достигает своего второго максимума. Потенциальная энергия здесь увеличивается до своего перво-начального (максимального) значения (при отсутствии трения). Таким образом, колебания кинетической и потенциальной энергий происходят с удвоенной (по сравнению с колебаниями самого маятника) частотой и находятся в противофазе (т. е. между ними существует сдвиг фаз, равный π ). Полная энергия колебаний W остается неизменной. Для тела, колеблющегося под действием силы упругости , она равна:
где v m — максимальная скорость тела (в положении равновесия), х m = А — амплитуда.
Из-за наличия трения и сопротивления среды свободные колебания затухают: их энергия и амплитуда с течением времени уменьшаются. Поэтому на практике чаще используют не свободные, а вынужденные колебания.
Общие сведения о колебаниях
Глава 6 Колебательное движение
Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости.
Таким свойством повторяемости обладают, например, качания маятника часов, колебания струны или ножек камертона, напряжение между обкладками конденсатора в контуре радиоприемника и т. п.
В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания:
– механические;
– электромагнитные;
– электромеханические и т. д.
В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают:
– свободные (или собственные);
– вынужденные;
– автоколебания;
– параметрические колебания.
Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе после того, как ей был сообщен толчок либо она была выведена из положения равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити (маятник).
Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодически изменяющейся силы.
Автоколебания сопровождаются воздействием на колеблющуюся систему внешних сил, однако моменты времени, когда осуществляются эти воздействия, задаются самой колеблющейся системой - система сама управляет внешним воздействием. Примером автоколебательной системы являются часы, в которых маятник получает толчки за счет энергии поднятой гири или закрученной пружины, причем эти толчки происходят в моменты прохождения маятника через среднее положение.
При параметрических колебаниях за счет внешнего воздействия происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы, например длины нити маятника.
Простейшими являются гармонические колебания , т. е. такие колебания, при которых колеблющаяся величина (например, отклонение маятника) изменяется со временем по закону синуса или косинуса.
Важнейшим среди колебательных движений является так называемое простое или гармоническое колебательное движение.
Характер такого движения лучше всего раскрывается с помощью следующей кинематической модели. Допустим, что геометрическая точка M равномерно вращается по окружности радиуса a с постоянной угловой скоростью (рис. 6.1). Ее проекция N на диаметр, например на ось X , будет совершать колебательное движение от крайнего положения до другого крайнего положения и обратно. Такое колебание точки N называют простым или гармоническим колебанием.
Чтобы его описать, надо найти координату x точки N как функцию времени t . Допустим, что в начальный момент времени радиус OM образовал с осью X угол . Спустя время t этот угол получит приращение и сделается равным . Из рис. 6.1. видно, что
. (6.1)
Это формула и описывает аналитически гармоническое колебательное движение точки N вдоль диаметра .
Величина a дает максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Она называется амплитудой колебания. Величина 0 называется циклической частотой . Величину называют фазой колебания, а ее значение при , т. е. величину – начальной фазой. По истечении времени
фаза получает приращение , а колеблющаяся точка возвращается в свое исходное положение с сохранением начального направления движения. Время T называется периодом колебания.
Скорость колеблющейся точки найдется дифференцированием выражения (6.1) по времени. Это дает
Дифференцируя вторично, получаем ускорение
или, используя (6.1),
Сила, действующая на материальную точку при гармоническом колебании, равна
. (6.6)
Она пропорциональна отклонению x и имеет противоположное направление. Она всегда направлена к положению равновесия.
Рассмотрим гармонические колебания груза на пружине, один конец которой закреплен, а к другому подвешено тело массы m (рис. 6.2). Пусть – длина не деформированной пружины. Если пружину растянуть или сжать до длины l , то возникает сила F , стремящаяся вернуть тело в положение равновесия. При небольших растяжениях справедлив закон Гука – сила пропорциональна растяжению пружины: . В этих условиях уравнение движения тела имеет вид
Постоянная k называется коэффициентом упругости или жесткости пружины. Знак минус означает, что сила F направлена в сторону, противоположную смещению x , т. е. к положению равновесия.
При выводе уравнения (6.7) предполагалось, что никакие другие силы на тело не действуют. Покажем, что тому же уравнению подчиняется движение тела, подвешенного на пружине в однородном поле тяжести. Обозначим в этом случае буквой X удлинение пружины, т. е. разность . Пружина тянет груз вверх с силой , сила тяжести – вниз. Уравнение движения имеет вид
Пусть означает удлинение пружины в положении равновесия. Тогда 
. Исключая вес , получим 
. Ведем обозначение , тогда уравнение движения примет прежний вид (6.7). Величина x по-прежнему означает смещение груза из положения равновесия. Однако положение равновесия смещается под действием силы тяжести. Кроме того, при наличии тяжести меняется смысл величины . Теперь она означает равнодействующую сил натяжения пружины и веса груза. Но все это не затрагивает математическую сторону процесса. Поэтому можно рассуждать так, как если бы силы тяжести совсем не было. Так мы и поступим.
Результирующая сила имеет такой же вид, что и сила в выражении (6.6). Если положить , то уравнение (6.7) перейдет в
. (6.8)
Это уравнение совпадает с уравнением (6.5). Функция (6.1) является решением такого уравнения при любых значениях постоянных a и a. Это есть общее решение. Из изложенного следует, что груз на пружине будет совершать гармонические колебания с круговой частотой
и периодом
. (6.10)
Колебания, описываемые уравнением (6.8) являются свободными (или собственными ).
Потенциальная и кинетическая энергии тела даются выражениями
. (6.11)
Каждая из них меняется во времени. Однако их сумма E во времени должна оставаться постоянной:
(6.12)
Все изложенное здесь применимо к гармоническим колебаниям любых механических систем с одной степенью свободы. Мгновенное положение механической системы с одной степенью свободы может быть определено с помощью какой-либо одной величины q , называемой обобщенной координатой, например, угла поворота, смещения вдоль некоторой линии и пр. Производная обобщенной координаты по времени называется обобщенной скоростью. При рассмотрении колебаний механических систем с одной степенью свободы за исходное удобнее брать не уравнение движения Ньютона, а уравнение энергии. Допустим, что механическая система такова, что ее потенциальная и кинетическая энергии выражаются формулами вида
, (6.14)
где d и b – положительные постоянные (параметры системы). Тогда закон сохранения энергии приводит к уравнению
. (6.15)
Оно отличается от уравнения (6.12) только обозначениями, что при математическом рассмотрении не имеет значения. Из математической тождественности уравнений (6.12) и (6.15) следует, что и общие решения их одинаковы. Поэтому, если уравнение энергии приводится к виду (6.15), то
, (6.16)
т. е. обобщенная координата q совершает гармоническое колебание с круговой частотой
