Скорость изменения импульса тела равна векторной сумме всех действующих на него сил. 4 страница
Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора. Выражения для смещения х и ускорения отличаются только коэффициентом при cos (…). Поэтому = , или
(4)
Это и есть дифференциальное уравнение гармонического осциллятора. Функция (1) - общее решение этого уравнения. Оно содержит две произвольные константы а и a. Их можно найти из начальных условий, например, если даны смещение и скорость в начальный момент t=0:
; .
Что же такое гармонический осциллятор? Ответ очевиден: кто меняет свою единственную координату по уравнению (1) или (4) – тот и есть гармонический осциллятор. Простейшими примерами гармонических осцилляторов являются грузик на пружинке, математический маятник, физический маятник. И пример для гурманов – вертикальные колебания льдины на воде. Попробуйте понять, что между этими примерами общего.
Грузик на пружине (пружинный маятник). Пусть грузик массы m подвешен на невесомой пружине жесткостью k. Смещение х будем отсчитывать от положения равновесия (рис.2). В состоянии равновесия пружина растянута под действием силы тяжести mg груза настолько, чтобы сила упругости была в точности равна -mg. Поскольку эти постоянные силы равны и противоположно направлены, они в сумме всегда равны нулю. В процессе колебаний сила упругости будет состоять из двух частей: (1) постоянной составляющей равной mg и (2) переменной составляющей равной kx. Таким образом, в записи второго закона Ньютона для грузика можно не учитывать силу тяжести mg и постоянную составляющую силы упругости (равную -mg) . Тогда произведение массы на ускорение равно переменной составляющей силы упругости
. (5)
Редкий ученик понимает, почему справа минус. Возьмите пружинку (хоть из авторучки) и попробуйте её растянуть и сжать. Что Вы заметили? Когда пружину сжимают, она стремится распрямиться (смещение вверх, сила упругости вниз), а когда растягивают, она стремится сжаться (смещение вниз, сила упругости вверх). Таким образом, знаки смещения x и силы kx всегда противоположны, поэтому и минус. Теперь перенесем - kx влево и разделим уравнение (5) на m
.
Правда, похоже на (4)? Чтобы сходство стало полным, обозначим . Тогда мы получим , т.е. дифференциальное уравнение гармонического осциллятора (ГО).
Мораль: коэффициент при x в дифференциальном уравнении гармонического осциллятора равен квадрату циклической частоты этого осциллятора. Если конечно Вы не забыли все уравнение предварительно разделить на коэффициент при ! А чему же равно x? Раз получено уравнение, идентичное дифференциальному уравнению (4), Þ(1) - его общее решение.
Пора спросить: а все ли знают, что точка над x обозначает первую производную по времени от x? Теперь догадайтесь, что означают две точки над x. И начинайте читать все сначала.
Из равенства следует, что циклическая частота пружинного маятника, зависит от жесткости пружины и массы груза: чем жестче пружина – тем больше частота, чем больше масса груза, тем меньше частота. С периодом все наоборот:
; . (6)
Пример из министерского тестирования: во сколько раз увеличится период колебаний пружинного маятника, если его массу и жесткость пружины увеличить в 2 раза? Ответ: не изменится. А если массу увеличить в 8 раз, а жесткость пружины увеличить в 2 раза? Ответ: в два раза. И так далее.
Физический маятник. Это твердое тело, совершающее малые колебания относительно неподвижной оси О, перпендикулярной листу (рис. 3). Запишем основное уравнение динамики вращательного движения в проекции на ось вращения О
(7)
(слева произведение момента инерции I на угловое ускорение, справа – момент силы тяжести). Чтобы понять, откуда справа минус, вспомним, куда направлены угловое ускорениеи момент силы . Правильно, оба вектора вдоль оси вращения. А почему всегда в разные стороны? Спрошу на экзамене! Разделим обе части на I; учтем, что для малых углов ; перенесем все в левую часть, обозначим и получим опять дифференциальное уравнение гармонического осциллятора
, (8)
только роль смещения вместо x выполняет угол φ. Решение уравнения (8) также совпадает с формулой (1) с точностью до обозначений: , где для разнообразия амплитуда обозначена φ0. Циклическая частота и период колебаний физического маятника равны
; . (9)
Такую же частоту и период имеет математический маятник длины lпр= , которую называют приведенной длиной физического маятника.
Математический маятник - это частица массы m, совершающая малые колебания на нити длиной l (в плоскости листа - на рис.4). Основное уравнение динамики вращательного движения будет отличаться только тем, что момент инерции частицы известен ( ), Þ ; Откуда минус? Да оттуда же! Теперь разделим обе части на ml2; учтем, что для малых углов ; перенесем все в левую часть и получим дифференциальное уравнение гармонического осциллятора (8), где на этот раз , Þ циклическая частота и период колебаний математического маятника равны
; . (10)
Похоже на выражения (6 и 9), но есть и различие: период (и обе частоты) математического маятника не зависят от его массы! А зависят только от ! Отсюда простейший способ измерения ускорения свободного падения . Берем нить известной длины с грузиком и измеряем период его колебаний. Подставляем в (8) и находим .
Пример из министерского тестирования: во сколько раз увеличится период колебаний матема-тического маятника, если его массу увеличить в 2 раза и длину нити увеличить в 2 раза? Ответ: в . А если массу увеличить в 8 раз, а длину нити увеличить в 4 раза? Ответ: в 2 раза. И масса в обоих случаях не при чем!
Мораль. Свободные колебания любого осциллятора без трения будут гармоническими, если действующая сила направлена к положению равновесия и пропорциональна смещению от положения равновесия. В примере со льдиной именно так и получается: при вертикальных колебаниях меняется погруженная в воду часть льдины, а Þ и сила Архимеда пропорциональная глубине погружения.
Сложение гармонических колебаний одного направления. Можно условно изображать колебания с помощью вектора амплитуды , вращающегося с угловой скоростью w против часовой стрелки, так как проекции этого вектора изменяются по гармоническому закону. Действительно, угол вектора с осью х в момент времени t равен , а его проекция на ось х равна аcos . Проекция вектора суммы двух векторов равна сумме однонаправленных гармонических колебаний. Такой способ называется векторной диаграммой. Мы рассмотрим два случая: 1- когда частоты складываемых колебаний равны, 2 - когда они мало отличаются.
Термины “мало- много” требуют обязательного уточнения: по сравнению с чем? Всем известно, что три волоса на голове – это мало, а в тарелке – много! В нашем случае (колебаний, а не волос) уточнение состоит в том, что разность складываемых частот много меньше каждой из них. Обязательно обращайте внимание на уточнение! Оно неизбежно будет использовано при выкладках. Так, мы недавно использовали (дважды!) термин малые колебания. А уточнение состояло в том, что для них .
1 Пусть складываются гармонические колебания х1 и х2 с одинаковой частотой w. Тогда результирующее смещение равно
x= х1 + х2 = а1 cos + а2 cos = .
Изобразим колебания векторами и , которые в начальный момент составляют с осью х углы a1 и a2 соответственно (рис.5). Амплитуду а и начальную фазу a результирующего колебания можно найти, как видно из рисунка, из соотношений
(11)
(12)
Из (11) видно, что амплитуда результирующего колебания существенно зависит от разности фаз . При сложении синхфазных колебаний (т.е. таких, что =0) результирующая амплитуда максимальна, а при сложении колебаний в противофазе - минимальна: ; .
2 Пусть и w2. Это значит, частоты мало отличаются! В этом случае справедлив рис.5. Но теперь векторы и вращаются с немного отличающимися угловыми скоростями, модуль результирующего вектора будет медленно (почему?,- спрошу!) изменяться от до , причем сам вектор вращается с угловой скоростью, близкой к и w2. Строго говоря, результирующее колебание не является гармоническим. Его можно рассматривать, как почти гармоническое, но с медленно периодически изменяющейся амплитудой (рис.6). Такие колебания называются биениями. Результирующая амплитуда также может быть выражена формулой (11), но теперь разность фаз следует заменить выражением d = - = + .
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Рассмотрим несколько случаев.
1. Пусть складываются гармонические колебания х и y с одинаковой частотой w
и . (13)
Поскольку cos любого угла можно записать, как sin дополнительного (до 900) угла, то выражение для y можно представить как , где a+d=900. Перепишем выражения (13) в виде
; (14)
Если возвести оба уравнения в квадрат, расписать синус суммы, сложить уравнения и учесть что sin2…+ cos2… =1, то можно исключить время. Так получим уравнение траектории - эллипс (рис.7). Обязательно получите самостоятельно! По этой эллиптической траектории точка будет вращаться с частотой w. Рассмотрим частные случаи.
а) d=0. Тогда . Эллипс вырождается в наклонный отрезок в первом и третьем квадрантах (рис.8а). Точка будет гармонически колебаться вдоль этого отрезка с частотой w.
б) d=p. Тогда . Тоже отрезок, только во втором и четвертом квадрантах (рис.8 б).
в) d=p/2. Тогда получим , Þ частица движется по эллипсу, полуоси которого совпадают с осями координат (рис.8 в). Так как колебание y опережает колебания х на p/2 (см. формулы (14)!), то y достигает max раньше, чем х, - поэтому вращение происходит по часовой стрелке.
г) d=3p/2=(-p/2); Þ наоборот: колебание х опережает колебания y на p/2, Þ тоже вращение по эллипсу, только против часовой стрелки (рис.8 г).
2. Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний отличаются в целое число раз, то траектория результирующего колебания представляет собой довольно сложную кривую. Эти кривые называются фигурами Лиссажу.
Затухающие колебания.
Дифференциальное уравнение затухающих колебаний. В реальной колебательной системе всегда есть силы типа трения, которые приводят к уменьшению амплитуды (и энергии) колебаний. Тогда свободные колебания называются затухающими. Пусть на частицу массы m кроме квазиупругой силы (-kx) действует сила сопротивления, пропорциональная скорости . Тогда уравнение второго закона Ньютона будет иметь вид . Перенесем все в левую часть, разделим на m и введем обозначения: ; ; после чего получим
. (15)
Циклическую частоту w0 называют собственной частотой, b - коэффициентом затухания. Уравнение (15) - это дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Его решение
, (16)
где а0 и a - произвольные константы, которые можно найти из начальных условий; Частота затухающих колебаний , а зависит от b:
. (17)
|
Время релаксации – это время t , за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз.
Так как меньше ао в е раз, то , Þ -1=-bt, Þ .
Логарифмический декремент затухания – это логарифм отношения двух последовательных амплитуд
.
Подставляя в b=1/t, получим l=Т/t , Þ l - величина, обратная такому числу колебаний, за которое амплитуда уменьшится в е раз!
Вынужденные колебания.
Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний. Вынужденные колебания можно получить, если к перечисленным выше силам (квазиупругой = - kx и трения= ) добавить внешнюю силу, например, периодическую F=F0coswt. Тогда по второму закону Ньютона
или
, (18)
где ; ; . Общее решение неоднородного дифференциального уравнения (18) состоит из суммы общего решения однородного уравнения (15) и частного решения неоднородного (18). Общее решение однородного ДУ, как мы видели, затухает со временем. Поэтому остается только частное решение (соответствующее установившимсяколебаниям), которое показывает, что в системе устанавливаются гармонические колебания с частотой w вынуждающей силы, но отстающие от нее по фазе на некоторое φ
. (19)
Если дважды продифференцировать (последний раз предупреждаю, что это значит – взять производную!) уравнение (18), нарисовать векторную диаграмму с учетом сдвига фаз, то можно найти а и φ
, (20)
Резонанс. Первая из формул (20) показывает зависимость амплитуды а от частоты вынуждающей силы (рис.10). При w=0, а= , а максимум амплитуды соответствует условию . Но еще проще найти минимум только для выражения под корнем, приравняв нулю производную от него. Соответствующая частота wрез называется резонансной
wрез= , (21)
а само явление достижения максимальной амплитуды называется резонансом. Подставляя в первую из формул (20) резонансную частоту (21), получим максимальную амплитуду
. (22)
Из (22) и рис.10 видно, что чем меньше затухание в системе, тем ярче выражен резонанс. Резонанс используют, если нужно усилить колебания, и, наоборот избегают, если он может привести к нежелательному усилению колебаний.
Упругие волны
Уравнение волны. Упругой волной называется процесс распространения возмущения в упругой среде. При этом сами частицы среды испытывают только колебания около своих положений равновесия. Если колебания частиц происходят вдоль направления распространения, то волна называется продольной, а если перпендикулярно – поперечной.
Рассмотрим для простоты распространение возмущения вдоль длинного натянутого шнура, который совместим с осью х. В качестве возмущения рассмотрим x - смещение элементов шнура из положения равновесия как функцию координаты и времени x=f(x,t). Пусть возмущение распространяется в положительном направлении оси х со скоростью u= . Тогда в точку с координатой х возмущение придет с опозданием на время . Итого в момент t в точке х возмущение будет равно x(x,t)=f(t-x/u) . Если волна распространяется в отрицательном направлении оси х, то в скобках будет плюс. Выражение в рамочке – это уравнение волны в общем виде. В частности, уравнение плоской гармонической волны имеет вид
x(x,t)=аcosw(t-x/u)= аcos(wt-wx/u). (23)
а – амплитуда волны, w - циклическая частота колебаний частиц среды. Функция (23) периодична с периодом 2p и по времени и по координате! Поэтому период равен . (24) Длиной волны l называется расстояние, проходимое за один период колебаний
l=uT= , Þ ln=u (25)
Введем волновое число k = = . Тогда уравнение плоской гармонической волны примет симметричный вид x(x,t)=аcos(wt-kx). (26)
Легко показать, что u - это фазовая скорость (т.е. скорость распространения вдоль ох некоторой зафиксированной фазы). Действительно, зафиксируем фазу в (23): пусть t-x/u=const. Þ , что и требовалось доказать.
Если волна распространяется в поглощающей среде, то ее амплитуда а будет уменьшаться экспоненциально (из опыта), тогда уравнение волны будет иметь вид
(27)
В плоской волне волновые поверхности (т.е. геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе) имеют вид плоскостей, (в нашем случае плоскости ^ оси х). Если волновые поверхности - сферы, то волна называется сферической. Фронтом волны называется волновая поверхность, отделяющая область волнового процесса от невозмущенной части среды.
Волновое уравнение. Пусть дано уравнение волны x(x,t)=f(t-x/u), обозначим фазу φ=(t-x/u) и вычислим частные производные по времени и по координате:
; , Þ
; Þ (28)