Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника

Незатухающие гармонические колебания в реальной колебательной системе можно получить с помощью внешней вынуждающей силы F(t), изменяющейся по гармоническому закону: Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

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

Второй закон Ньютона для вынужденных колебаний пружинного маятника:

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru

или

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

Полученное выражение представляет собой дифференциальное уравнение вынужденных гармонических колебаний пружинного маятника.

Решением этого дифференциального уравнения является функция Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru :

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

При этом амплитуда вынужденных колебаний определяется по формуле:

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

Из этой формулы следует, что амплитуда колебаний А имеет максимум при частоте Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru , называемой резонансной частотой Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru :

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте, равной или близкой собственной частоте колебательной системы, называется резонансом.

Тема 8. Гармонические колебания физического маятника

Физический маятник – это твердое тело, имеющее ось вращения и совершающее колебания под действием тангенциальной составляющей силы тяжести Ft (Ft = mgsina (рис. 7), где a – отклонение физического маятника от положения равновесия).

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
l
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru
Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru

Рис. 7

Если физический маятник массой m отклонен от положения равновесия на некоторый угол a , то момент M возвращающей силы Ft :

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru ,

где l – плечо силы Ft , то естьрасстояние от центра масс (точка С) до оси маятника (рис. 7).

В случае малых колебаний физического маятника,то есть для малых углов отклонения маятника от положения равновесия sina » a и тогда

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

По второму закону Ньютона для вращательного движения твердого тела:

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru или Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru ,

где I — момент инерции маятника относительно его оси.

Знак минус в последнем уравнении обусловлен тем, что вектора момента возвращающей силы Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru и угла поворота Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru имеют противоположные направления.

Обозначив Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru , получим дифференциальное уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний физического маятника:

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

Решением этого дифференциального уравнения является функция Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru :

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru ,

где Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru – отклонение физического маятника от положения равновесия в момент времени t;

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru – амплитудаколебаний;

w0 – круговая (циклическая) частота;

(w0t+j0) – фаза колебаний в момент времени t;

j0 –начальная фаза колебаний.

Период малых гармонических колебаний физического маятника:

Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника - student2.ru .

Наши рекомендации