Изучаем механические колебания. Механические колебания. Параметры колебательного движения Понятие механического колебательного движения
Темы кодификатора ЕГЭ: гармонические колебания; амплитуда, период, частота, фаза колебаний; свободные колебания, вынужденные колебания, резонанс.
Колебания - это повторяющиеся во времени изменения состояния системы. Понятие колебаний охватывает очень широкий круг явлений.
Колебания механических систем, или механические колебания - это механическое движение тела или системы тел, которое обладает повторяемостью во времени и происходит в окрестности положения равновесия. Положением равновесия называется такое состояние системы, в котором она может оставаться сколь угодно долго, не испытывая внешних воздействий.
Например, если маятник отклонить и отпустить, то начнутся колебания. Положение равновесия - это положение маятника при отсутствии отклонения. В этом положении маятник, если его не трогать, может пребывать сколь угодно долго. При колебаниях маятник много раз проходит положение равновесия.
Сразу после того, как отклонённый маятник отпустили, он начал двигаться, прошёл положение равновесия, достиг противоположного крайнего положения, на мгновение остановился в нём, двинулся в обратном направлении, снова прошёл положение равновесия и вернулся назад. Совершилось одно полное колебание . Дальше этот процесс будет периодически повторяться.
Амплитуда колебаний тела - это величина его наибольшего отклонения от положения равновесия.
Период колебаний - это время одного полного колебания. Можно сказать, что за период тело проходит путь в четыре амплитуды.
Частота колебаний - это величина, обратная периоду: . Частота измеряется в герцах (Гц) и показывает, сколько полных колебаний совершается за одну секунду.
Гармонические колебания.
Будем считать, что положение колеблющегося тела определяется одной-единственной координатой . Положению равновесия отвечает значение . Основная задача механики в данном случае состоит в нахождении функции , дающей координату тела в любой момент времени.
Для математического описания колебаний естественно использовать периодические функции. Таких функций много, но две из них - синус и косинус - являются самыми важными. У них много хороших свойств, и они тесно связаны с широким кругом физических явлений.
Поскольку функции синус и косинус получаются друг из друга сдвигом аргумента на , можно ограничиться только одной из них. Мы для определённости будем использовать косинус.
Гармонические колебания - это колебания, при которых координата зависит от времени по гармоническому закону:
(1)
Выясним смысл входящих в эту формулу величин.
Положительная величина является наибольшим по модулю значением координаты (так как максимальное значение модуля косинуса равно единице), т. е. наибольшим отклонением от положения равновесия. Поэтому - амплитуда колебаний.
Аргумент косинуса называется фазой колебаний. Величина , равная значению фазы при , называется начальной фазой. Начальная фаза отвечает начальной координате тела: .
Величина называется циклической частотой . Найдём её связь с периодом колебаний и частотой . Одному полному колебанию отвечает приращение фазы, равное радиан: , откуда
(2)
(3)
Измеряется циклическая частота в рад/с (радиан в секунду).
В соответствии с выражениями (2) и (3) получаем ещё две формы записи гармонического закона (1) :
График функции (1) , выражающей зависимость координаты от времени при гармонических колебаниях, приведён на рис. 1 .
Гармонический закон вида (1) носит самый общий характер. Он отвечает, например, ситуации, когда с маятником совершили одновременно два начальных действия: отклонили на величину и придали ему некоторую начальную скорость. Имеются два важных частных случая, когда одно из этих действий не совершалось.
Пусть маятник отклонили, но начальной скорости не сообщали (отпустили без начальной скорости). Ясно, что в этом случае , поэтому можно положить . Мы получаем закон косинуса:
График гармонических колебаний в этом случае представлен на рис. 2 .
 |
| Рис. 2. Закон косинуса |
Допустим теперь, что маятник не отклоняли, но ударом сообщили ему начальную скорость из положения равновесия. В этом случае , так что можно положить . Получаем закон синуса:
График колебаний представлен на рис. 3 .
 |
| Рис. 3. Закон синуса |
Уравнение гармонических колебаний.
Вернёмся к общему гармоническому закону (1) . Дифференцируем это равенство:
. (4)
Теперь дифференцируем полученное равенство (4) :
. (5)
Давайте сопоставим выражение (1) для координаты и выражение (5) для проекции ускорения. Мы видим, что проекция ускорения отличается от координаты лишь множителем :
. (6)
Это соотношение называется уравнением гармонических колебаний . Его можно переписать и в таком виде:
. (7)
C математической точки зрения уравнение (7)
является дифференциальным уравнением
. Решениями дифференциальных уравнений служат функции (а не числа, как в обычной алгебре).
Так вот, можно доказать, что:
Решением уравнения (7) является всякая функция вида (1) с произвольными ;
Никакая другая функция решением данного уравнения не является.
Иными словами, соотношения (6) , (7) описывают гармонические колебания с циклической частотой и только их. Две константы определяются из начальных условий - по начальным значениям координаты и скорости.
Пружинный маятник.
Пружинный маятник - это закреплённый на пружине груз, способный совершать колебания в горизонтальном или вертикальном направлении.
Найдём период малых горизонтальных колебаний пружинного маятника (рис. 4 ). Колебания будут малыми, если величина деформации пружины много меньше её размеров. При малых деформациях мы можем пользоваться законом Гука. Это приведёт к тому, что колебания окажутся гармоническими.
Трением пренебрегаем. Груз имеет массу , жёсткость пружины равна .
Координате отвечает положение равновесия, в котором пружина не деформирована. Следовательно, величина деформации пружины равна модулю координаты груза.
 |
| Рис. 4. Пружинный маятник |
В горизонтальном направлении на груз действует только сила упругости со стороны пружины. Второй закон Ньютона для груза в проекции на ось имеет вид:
. (8)
Если (груз смещён вправо, как на рисунке), то сила упругости направлена в противоположную сторону, и . Наоборот, если , то . Знаки и всё время противоположны, поэтому закон Гука можно записать так:
Тогда соотношение (8) принимает вид:
Мы получили уравнение гармонических колебаний вида (6) , в котором
Циклическая частота колебаний пружинного маятника, таким образом, равна:
. (9)
Отсюда и из соотношения находим период горизонтальных колебаний пружинного маятника:
. (10)
Если подвесить груз на пружине, то получится пружинный маятник, совершающий колебания в вертикальном направлении. Можно показать, что и в этом случае для периода колебаний справедлива формула (10) .
Математический маятник.
Математический маятник - это небольшое тело, подвешенное на невесомой нерастяжимой нити (рис. 5 ). Математический маятник может совершать колебания в вертикальной плоскости в поле силы тяжести.
 |
| Рис. 5. Математический маятник |
Найдём период малых колебаний математического маятника. Длина нити равна . Сопротивлением воздуха пренебрегаем.
Запишем для маятника второй закон Ньютона:
и спроектируем его на ось :
Если маятник занимает положение как на рисунке (т. е. ), то:
Если же маятник находится по другую сторону от положения равновесия (т. е. ), то:
Итак, при любом положении маятника имеем:
. (11)
Когда маятник покоится в положении равновесия, выполнено равенство . При малых колебаниях, когда отклонения маятника от положения равновесия малы (по сравнению с длиной нити), выполнено приближённое равенство . Воспользуемся им в формуле (11) :
Это - уравнение гармонических колебаний вида (6) , в котором
Следовательно, циклическая частота колебаний математического маятника равна:
. (12)
Отсюда период колебаний математического маятника:
. (13)
Обратите внимание, что в формулу (13) не входит масса груза. В отличие от пружинного маятника, период колебаний математического маятника не зависит от его массы.
Свободные и вынужденные колебания.
Говорят, что система совершает свободные колебания
, если она однократно выведена из положения равновесия и в дальнейшем предоставлена сама себе. Никаких периодических внешних
воздействий система при этом не испытывает, и никаких внутренних источников энергии, поддерживающих колебания, в системе нет.
Рассмотренные выше колебания пружинного и математического маятников являются примерами свободных колебаний.
Частота, с которой совершаются свободные колебания, называется собственной частотой колебательной системы. Так, формулы (9) и (12) дают собственные (циклические) частоты колебаний пружинного и математического маятников.
В идеализированной ситуации при отсутствии трения свободные колебания являются незатухающими, т. е. имеют постоянную амплитуду и длятся неограниченно долго. В реальных колебательных системах всегда присутствует трение, поэтому свободные колебания постепенно затухают (рис. 6 ).
Вынужденные колебания - это колебания, совершаемые системой под воздействием внешней силы , периодически изменяющейся во времени (так называемой вынуждающей силы).
Предположим, что собственная частота колебаний системы равна , а вынуждающая сила зависит от времени по гармоническому закону:
В течение некоторого времени происходит установление вынужденных колебаний: система совершает сложное движение, которое является наложением выужденных и свободных колебаний. Свободные колебания постепенно затухают, и в установившемся режиме система совершает вынужденные колебания, которые также оказываются гармоническими. Частота установившихся вынужденных колебаний совпадает с частотой
вынуждающей силы (внешняя сила как бы навязывает системе свою частоту).
Амплитуда установившихся вынужденных колебаний зависит от частоты вынуждающей силы. График этой зависимости показан на рис. 7 .
 |
| Рис. 7. Резонанс |
Мы видим, что вблизи частоты наступает резонанс - явление возрастания амплитуды вынужденных колебаний. Резонансная частота приближённо равна собственной частоте колебаний системы: , и это равенство выполняется тем точнее, чем меньше трение в системе. При отсутствии трения резонансная частота совпадает с собственной частотой колебаний, , а амплитуда колебаний возрастает до бесконечности при .
Механические колебания
1. Механические колебания
1.1 Механические колебания: гармонические, затухающие и вынужденные колебания
1.2 Автоколебания
1.3 Разложение колебаний в гармонический спектр. Применение гармонического анализа для обработки диагностических данных
1.4 Механические волны, их виды и скорость распространения
1.5 Энергетические характеристики волны
Список использованных источников
1. Механические колебания
1.1 Механические колебания: гармонические, затухающие и вынужденные колебания
Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости (качание маятника часов, колебания струны или ножек камертона, напряжение между обкладками конденсатора в контуре радиоприемника, работа сердца).
В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные, электромеханические и т.д. Мы будем рассматривать механические колебания. Колебания, происходящие при отсутствии трения и внешних сил, называются собственными; их частота зависит только от свойств системы.
Простейшими являются гармонические колебания, т.е. такие колебания, при которых колеблющаяся величина (например, отклонение маятника) изменяется со временем по закону синуса или косинуса.
Дифференциальное уравнение гармонического колебания
Рассмотрим простейшую колебательную систему: шарик массой m подвешен на пружине.
В этом случае упругая сила F1 уравновешивает силу тяжести mg. Если сместить шарик на расстояние х , то на него будет действовать большая упругая сила (F1 + F). Изменение упругой силы по закону Гука пропорционально изменению длины пружины или смещению шарика х:
где k - жесткость пружины. Знак "-" отражает то обстоятельство, что смещение и сила имеют противоположные направления.
где (w 0 t + a 0) = a - фаза колебаний; a 0 - начальная фаза при t = 0; w 0 - круговая частота колебаний; A - их амплитуда.
Итак, смещение x изменяется со временем по закону косинуса.
Следовательно, движение системы, находящейся под действием силы вида f = - kx, представляет собой гармоническое колебание.
Для пружинного маятника получаем:
Круговая частота связана с обычной n соотношением: .
Энергия при гармоническом колебании
Выясним, как изменяется со временем кинетическая Еk и потенциальная Еп энергия гармонического колебания. Кинетическая энергия равна:
, (4)где k = m w 0 2 .
Потенциальную энергию находим из формулы потенциальной энергии для упругой деформации и используя (3):
(5)Складывая (4) и (5), с учетом соотношения
, получим:E = E K + E П =
. (6)Таким образом, полная энергия гармонического колебания остается постоянной в отсутствие сил трения, во время колебательного процесса кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот.
Затухающие колебания
Колебания, происходящие в системе при отсутствии внешних сил (но при наличии потерь на трение или излучение), называются свободными. Частота свободных колебаний зависит от свойств системы и интенсивности потерь.
Наличие трения приводит к затухающим колебаниям. Колебания с убывающей амплитудой называются затухающими.
Допустим, что на систему, кроме квазиупругой силы, действуют силы сопротивления среды (трения), тогда второй закон Ньютона имеет вид:
. (7)Ограничимся рассмотрением малых колебаний, тогда и скорость системы будет малой, а при небольших скоростях сила сопротивления пропорциональна величине скорости:
, (8)где r - коэффициент сопротивления среды. Знак " - " обусловлен тем, что F тр и V имеют противоположные направления.
Подставим (8) в (7). Тогда
илиОбозначим
,
где b - коэффициент затухания, w 0 - круговая частота собственных колебаний. Тогда
Решение этого уравнения существенно зависит от знака разности: w 2 = w 0 2 -b 2 , где w - круговая частота затухающих колебаний. При условии w 0 2 -b 2 > 0, w является действительной величиной и решение (3) будет следующим:
График этой функции дан на рисунке.
Рис. 2. Затухающие колебания.
Пунктиром изображено изменение амплитуды: A = ±A 0 e - b t .
Период затухающих колебаний зависит от коэффициента трения и равен:
(11)При незначительном сопротивлении среды (b2 < Из формулы, выражающей закон убывания амплитуды колебаний, можно убедиться, что отношение амплитуд, отделенных друг от друга интервалом в один период (Т), остается постоянным в течение всего процесса затухания. Действительно, амплитуды колебаний, отделенные интервалом в один период, выражаются так: Это отношение называют
этого отношения:
Эта величина носит название логарифмического декремента затухания за период.
При сильном затухании b 2 > w02 из формулы (11) следует, что период колебания является мнимой величиной. Движение при этом носит апериодический (непериодический) характер - выведенная из положения равновесия система возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний. Каким из этих способов приходит система в положение равновесия, зависит от начальных условий.
Вынужденные колебания. Резонанс
Вынужденными называются такие колебания, которые возникают в колебательной системе под действием внешней периодически изменяющейся силы (вынуждающей силы). Пусть вынуждающая сила изменяется со временем по гармоническому закону: f = F0 cosW t , где F0 - амплитуда, W - круговая частота вынуждающей силы.
При составлении уравнения движения нужно учесть, кроме вынуждающей силы, также те силы, которые действуют в системе при свободных колебаниях, то есть квазиупругую силу и силу сопротивления среды. Тогда уравнение движения (второй закон Ньютона) запишется следующим образом:
Разделив это уравнение на m и перенеся члены с dx и d 2 x в левую часть получим неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка.
Окружающий нас физический мир преисполнен движением. Практически невозможно найти хотя бы одно физическое тело, которое можно было бы считать находящимся в состоянии покоя. Кроме равномерно поступательного прямолинейного по сложной траектории, движения с ускорением и прочих, мы можем наблюдать воочию или испытывать на себе влияние периодически повторяющихся перемещений материальных предметов.
Человек давно заметил отличительные свойства и особенности и даже научился использовать механические колебания в своих целях. Все периодически повторяющиеся во времени процессы можно назвать колебаниями. Механические колебания являются лишь частью этого многообразного мира явлений, происходящих практически по одним законам. На наглядном примере механических повторяющихся движений можно составить основные правила и определить законы, по которым происходят электромагнитные, электромеханические и прочие колебательные процессы.
Природа возникновения механических колебаний кроется в периодическом превращении потенциальной энергии в кинетическую. Описать пример, как происходит превращение энергии при механических колебаниях, можно, рассматривая шарик, подвешенный на пружине. В спокойном состоянии сила тяжести уравновешивается пружины. Но стоит вывести систему из состояния равновесия принудительно, спровоцировав тем самым движение с сторону точки равновесия, как начнёт своё преобразование в кинетическую. А та, в свою очередь, с момента прохождения шариком нулевой позиции начнёт преобразовываться в потенциальную. Этот процесс происходит столь долго, насколько условия существования системы приближаются к безупречным.
Математически идеальными считаются колебания, происходящие по закону синуса или косинуса. Такие процессы принято называть гармоническими колебаниями. Идеальным примером механических гармонических колебаний является движение маятника в когда отсутствует влияние сил трения. Но это совершенно безупречный случай, добиться которого технически весьма проблематично.
Механические колебания, несмотря на их продолжительность, рано или поздно прекращаются, и система занимает положение относительного равновесия. Происходит это по причине растраты энергии на преодоление сопротивления воздуха, трения и прочих факторов, неотвратимо приводящих к корректировке расчётов при переходе от идеальных к реальным условиям, в которых существует рассматриваемая система.
Неотвратимо приближаясь к глубокому изучению и анализу, приходим к необходимости математически описать механические колебания. Формулы этого процесса включают такие величины, как амплитуда (А), (w), начальная фаза (a). А функция зависимости смещения (х) от времени (t) в классическом виде имеет вид
Также стоит упомянуть о величине, характеризующей механические колебания, имеющей название - период (T), который математически определяется, как
Механические колебания, кроме наглядности описания процессов колебаний немеханической природы, интересуют нас некоторыми свойствами, которые при правильном использовании могут оказать определённую пользу, а при их игнорировании - привести к существенным неприятностям.
Особое внимание требуется уделять явлению резкого скачка амплитуды при наступающих при приближении частоты воздействия вынуждающей силы к частоте собственных колебаний тела. Оно называется резонансом. Широко используемое в электронике, в механических системах явление резонанса в основном проявляет разрушительный характер, его необходимо учитывать при создании самых разнообразных механических конструкций и систем.
Следующим проявлением механических колебаний является вибрация. Её появление может оказать не только определённый дискомфорт, но и привезти к возникновению резонанса. Но, кроме отрицательного воздействия, местная вибрация с небольшой интенсивностью проявления может благоприятно воздействовать в целом на организм человека, улучшая функциональное состояние ЦНС, и даже ускорять и т.п.
Среди вариантов проявления механических колебаний можно выделить явление звука, ультразвука. Полезные свойства этих механических волн и других проявлений механических колебаний широко используются в самых различных отраслях человеческой жизнедеятельности.
Характеристика колебаний
Фаза определяет состояние системы, а именно координату, скорость, ускорение, энергию и др.
Циклическая частота характеризует скорость изменения фазы колебаний.
Начальное состояние колебательной системы характеризует начальная фаза
Амплитуда колебаний A - это наибольшее смещение из положения равновесия
Период T - это промежуток времени, в течение которого точка выполняет одно полное колебание.
Частота колебаний - это число полных колебаний в единицу времени t.
Частота, циклическая частота и период колебаний соотносятся как
Виды колебаний
Колебания, которые происходят в замкнутых системах называются свободными или собственными колебаниями. Колебания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными . Встречаются также автоколебания (вынуждаются автоматически).
Если рассматривать колебания согласно изменяющихся характеристик (амплитуда, частота, период и др.), то их можно разделить на гармонические , затухающие , нарастающие (а также пилообразные, прямоугольные, сложные).
При свободных колебаниях в реальных системах всегда происходят потери энергии. Механическая энергия расходуется, например, на совершение работы по преодолению сил сопротивления воздуха. Под влиянием силы трения происходит уменьшение амплитуды колебаний, и через некоторое время колебания прекращаются. Очевидно, что чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания.
Вынужденные колебания. Резонанс
Вынужденные колебания являются незатухающими. Поэтому необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний. Для этого необходимо воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.
Вынужденные колебания
Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом .
Например, если периодически дергать шнур в такт его собственным колебаниям, то мы заметим увеличение амплитуды его колебаний.
Если влажный палец двигать по краю бокала, то бокал будет издавать звенящие звуки. Хотя это и незаметно, палец движется прерывисто и передает стеклу энергию короткими порциями, заставляя бокал вибрировать
Стенки бокала также начинают вибрировать, если на него направить звуковую волну с частотой, равной его собственной. Если амплитуда станет очень большой, то бокал может даже разбиться. По причине резонанса при пении Ф.И.Шаляпина дрожали (резонировали) хрустальные подвески люстр. Возникновение резонанса можно проследить и в ванной комнате. Если вы будете негромко пропевать звуки разной частоты, то на одной из частот возникнет резонанс.
В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Человек также имеет собственный резонатор - это полость рта, усиливающая издаваемые звуки.
Явление резонанса необходимо учитывать на практике. В одних явлениях он может быть полезен, в других - вреден. Резонансные явления могут вызывать необратимые разрушения в различных механических системах, например, неправильно спроектированных мостах. Так, в 1905 году рухнул Египетский мост в Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон, а в 1940 - разрушился Такомский мост в США.
Явление резонанса используется, когда с помощью небольшой силы необходимо получить большое увеличение амплитуды колебаний. Например, тяжелый язык большого колокола можно раскачать, действуя сравнительно небольшой силой с частотой, равной собственной частоте колебаний колокола.