Малые свободные колебания системы

Лекция 10. Исследование колебаний механических систем.

В данной лекции рассматриваются следующие вопросы:

1. Основные определения колебательного движения.

2. Малые свободные колебания системы.

3. Свободные колебания системы с учетом сил сопротивления движению.

4. Вынужденные колебания системы.

5. Влияние сопротивления на вынужденные колебания.

Изучение данных вопросов необходимо для изучения колебательных движений механической системы в дисциплине «Детали машин», для решения задач в дисциплинах «Теория машин и механизмов» и «Сопротивление материалов».

Основные определения колебательного движения.

Колебательным движением материальной системы называется такое ее движение, при котором она через некоторые промежутки времени постоянно возвращается к определенному положению.

Нетрудно обнаружить, что большинство окружающих нас систем совершают колебательное движение.

Если время, за которое все точки системы возвращаются к любому определенному положению с равными скоростями, постоянно и одинаково, то такое время Т называется периодом колебаний. А эти колебания – периодическим колебательным движением.

На рис.1 показан пример изменения какой-то обобщенной координаты q при довольно сложном колебательном процессе. А на рис.2 – при более организованных, периодических колебаниях.

Малые свободные колебания системы - student2.ru Малые свободные колебания системы - student2.ru

Рис.1 Рис.2

При периодическом процессе значения функции, описывающей движение системы, повторяются через каждый период Т, т.е.

q(t)=q(t+T). (1)

Если эта функция имеет вид

Малые свободные колебания системы - student2.ru , (2)

то такое колебательное движение называется гармоническим. График такого движения дан на рис.3.

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Рис.3

По (2) Малые свободные колебания системы - student2.ru – начальная координата, определяющая положение системы в начале движения;

A – амплитуда колебаний, имеет размерность обобщенной координаты;

Малые свободные колебания системы - student2.ru – фаза колебаний, Малые свободные колебания системы - student2.ru – начальная фаза;

k – частота колебаний, размерность ее с-1.

Период колебаний найдем используя свойство (1):

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Отсюда, т.к. период синуса равен Малые свободные колебания системы - student2.ru , Малые свободные колебания системы - student2.ru . Значит, период колебаний

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Вообще, существует много всяких типов колебаний. Выделим, в первую очередь, линейные и нелинейные колебания. Названия их определяются видом дифференциальных уравнений, которые описывают колебательное движение материальной системы.

Исследование нелинейных колебаний значительно усложняется, т.к. нет общих методов решения нелинейных дифференциальных уравнений.

Но, если рассматривать малые колебания, такие, при которых координата и скорость изменяются на малую величину, то многие нелинейные уравнения станут линейными и исследование движения значительно упростится.

В дальнейшем мы будем рассматривать лишь малые, линейные колебания. И, мало того, колебания системы только с одной степенью свободы.

Естественно, колебания системы могут совершаться только около устойчивого положения равновесия.

Если система консервативная, то найти положение равновесия и определить устойчивость его можно с помощью потенциальной энергии.

Ранее было установлено, что в положении равновесия выполняется условие Малые свободные колебания системы - student2.ru и если в положении равновесия Малые свободные колебания системы - student2.ru , то равновесие будет устойчиво.

Договоримся отсчитывать координату от положения равновесия Малые свободные колебания системы - student2.ru а потенциальную энергию там считать равной нулю (П0=0) Тогда, по определению малых колебаний, обобщенная координата q всегда будет малой величиной.

Разложим потенциальную энергию в ряд Маклорена около положения равновесия:

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Так как П(0) = 0 и Малые свободные колебания системы - student2.ru и, отбросив члены третьего и выше порядка малости, получим

Малые свободные колебания системы - student2.ru , (4)

где коэффициент Малые свободные колебания системы - student2.ru по условию устойчивости.

Поэтому потенциальная энергия колебательной системы, отсчитываемая от положения устойчивого равновесия, будет всегда положительной.

Кинетическую энергию системы при малых колебаниях также можно преобразовать.

Кинетическая энергия системы Малые свободные колебания системы - student2.ru , а так как радиус-вектор точек Малые свободные колебания системы - student2.ru и q=q(t), то Малые свободные колебания системы - student2.ru

Поэтому Малые свободные колебания системы - student2.ru , где Малые свободные колебания системы - student2.ru

Эту функцию A(q) можно разложить в ряд Маклорена по степеням q около положения равновесия и учесть только первый член: A(q)=A(0)+… . Остальные члены можно не учитывать, т.к. после подстановки A(q) в Т, они станут величинами третьего и выше порядка.

Обозначив постоянную A(0)=a получим

T=aq2/2. (5)

Коэффициент a называется коэффициентом инерции. Конечно, a>0 т.к. кинетическая энергия не может быть отрицательной.

Замечание. Практически, при исследовании конкретных колебательных систем приходится раскладывать в ряд функции, содержащие, чаще всего, sinx, cosx, ex. Разложение их с точностью до малых второго порядка известны: sinx=x, cos=1-x2/2, ex=1+x+x2/2.

Малые свободные колебания системы.

Свободными колебаниями называется колебательное движение системы, выведенной из положения равновесия и предоставленной самой себе.

Составим уравнение Лагранжа для консервативной системы:

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Используя (4) и (5), получим дифференциальное уравнение свободных колебаний Малые свободные колебания системы - student2.ru или, обозначив c/a=k2,

Малые свободные колебания системы - student2.ru =0. (6)

Решение этого однородного линейного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами известно:

q=C1coskt+C2sinkt (7)

или, использовав другие постоянные Малые свободные колебания системы - student2.ru и Малые свободные колебания системы - student2.ru ,

Малые свободные колебания системы - student2.ru . (8)

Следовательно, малые свободные колебания – гармонические колебания, причем амплитуда колебаний и начальная фаза определяются начальными условиями (q и Малые свободные колебания системы - student2.ru при t = 0), а частота колебаний k и период Т не зависят от начальных условий, определяются только конструкцией системы.

Обычно частоту колебаний находят сравнением полученного дифференциального уравнения с уравнением (6).

Пример 1. Тело весом Р подвешено на нити, перекинутой через блок и прикрепленной к пружине (рис.4). Вес блока G, радиус - r; жесткость пружины с. Определим период свободных колебаний системы.

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Рис.4

Назначим обобщенной координатой смещение z груза по вертикали от положения равновесия, при котором пружина была растянута на величину f.

Тогда потенциальная энергия относительно положения равновесия Малые свободные колебания системы - student2.ru . Где (z+f) - полная деформация пружины, а cf2/2 - потенциальная энергия пружины в положении равновесия, которую вычитаем из потенциальной энергии полностью деформированной пружины. Раскрыв скобки, получим

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Малые свободные колебания системы - student2.ru

В положении равновесия должно выполняться условие Малые свободные колебания системы - student2.ru . Отсюда P=cf, значит, П=cz2/2

Кинетическая энергия системы

Малые свободные колебания системы - student2.ru

Составив уравнение Лагранжа, получим Малые свободные колебания системы - student2.ru или Малые свободные колебания системы - student2.ru Сравнивая с (6), находим частоту колебаний Малые свободные колебания системы - student2.ru и затем период Малые свободные колебания системы - student2.ru

Наши рекомендации