Затухающие колебания
Затухающие колебания пружинного маятника
Затухающие колебания - колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс вида в природе невозможен. Свободные колебания любого осциллятора рано или поздно затухают и прекращаются. Поэтому на практике обычно имеют дело с затухающими колебаниями. Они характеризуются тем, что амплитуда колебаний A является убывающей функцией. Обычно затухание происходит под действием сил сопротивления среды, наиболее часто выражаемых линейной зависимостью от скорости колебаний или её квадрата.
В акустике: затухание - уменьшение уровня сигнала до полной неслышимости.
Затухающие колебания пружинного маятника
Пускай имеется система, состоящая из пружины (подчиняющейся закону Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на другом находится тело массой m . Колебания совершаются в среде, где сила сопротивления пропорциональна скорости с коэффициентом c (см. вязкое трение).
Корни которого вычисляются по следующей формуле
Решения
В зависимости от величины коэффициента затухания решение разделяется на три возможных варианта.
- Апериодичность
Если , то имеется два действительных корня, и решение дифференциального уравнения принимает вид:
В этом случае колебания с самого начала экспоненциально затухают.
- Граница апериодичности
Если , два действительных корня совпадают , и решением уравнения является:
В данном случае может иметь место вре́менный рост, но потом - экспоненциальное затухание.
- Слабое затухание
Если , то решением характеристического уравнения являются два комплексно сопряжённых корня
Тогда решением исходного дифференциального уравнения является
Где - собственная частота затухающих колебаний.
Константы и в каждом из случаев определяются из начальных условий:
См. также
- Декремент затухания
Литература
Лит.: Савельев И. В., Курс общей физики:Механика, 2001.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Затухающие колебания" в других словарях:
Затухающие колебания - Затухающие колебания. ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ, колебания, амплитуда которых A уменьшается с течением времени вследствие потерь энергии: превращения энергии колебаний в тепло в результате трения в механических системах (например, в точке подвеса… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Собственные колебания, амплитуда А которых убывает со временем t по закону экспоненты А(t) = Аоexp (?t) (? показатель затухания из за диссипации энергии благодаря силам вязкого трения для механических затухающих колебаний и омическому… … Большой Энциклопедический словарь
Колебания, амплитуда которых постепенно уменьшается, напр. колебания маятника, испытывающего сопротивление воздуха и трение в подвесе. Все свободные колебания, происходящие в природе, являются в большей или меньшей мере З. К. Электрические З. К.… … Морской словарь
затухающие колебания - Механические колебания с уменьшающимися во времени значениями размаха обобщенной координаты или ее производной по времени. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 106. Механические колебания. Академия наук СССР. Комитет научно технической… … Справочник технического переводчика
Затухающие колебания - (ВИБРАЦИЯ) колебания (вибрация) с уменьшающимися значениями размаха … Российская энциклопедия по охране труда
Собственные колебания системы, амплитуда А которых убывает со временем t по закону экспоненты А(t) = А0ехр(?α t) (α показатель затухания) из–за диссипации энергии благодаря силам вязкого трения для механических затухающих колебаний и омическому… … Энциклопедический словарь
Затухающие колебания - 31. Затухающие колебания Колебания с уменьшающимися значениями размаха Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Собственные колебания системы, амплитуда А к рых убывает со временем t по закону экспоненты A(t) = = Аоехр(at) (a показатель затухания) из за диссипации энергии благодаря силам вязкого трения для механич. 3. к. и омическому сопротивлению для эл … Естествознание. Энциклопедический словарь
затухающие колебания - silpstantieji virpesiai statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. damped oscillation vok. gedämpfte Schwingung, f rus. затухающие колебания, n pranc. oscillations amorties, f; oscillations décroissantes, f … Automatikos terminų žodynas
затухающие колебания - slopinamieji virpesiai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. damped oscillations; damped vibrations; dying oscillations vok. abklingende Schwingungen, f; gedämpfte Schwingungen, f rus. затухающие колебания, n pranc. oscillations amorties, f … Fizikos terminų žodynas
Уменьшение энергии колебательной системы приводит к постепенному уменьшению амплитуды колебаний, ибо
В этом случае говорят, что колебания затухают .
Аналогичная ситуация складывается в колебательном контуре. Реальная катушка, входящая в состав контура, всегда обладает активным сопротивлением . При протекании тока на активном сопротивлении катушки будет выделяться джоулево тепло . Энергия контура при этом будет уменьшаться, что будет приводить к уменьшению амплитуды колебаний заряда, напряжения и силы тока.
Наша задача – выяснить по какому закону происходит уменьшение амплитуды колебаний, по какому закону изменяется сама колеблющаяся величина, с какой частотой происходят затухающие колебания, как долго колебания «затухают».
§1 Затухание колебаний в системах с вязким трением
Рассмотрим колебательную систему, в которой действует сила вязкого трения. Примером такой колебательной системы может служить математический маятник, совершающий колебания в воздушной среде.
В этом случае при выведении системы из положения равновесия на
маятник будут действовать две силы: квазиупругая сила и сила сопротивления (сила вязкого трения).
Второй закон Ньютона запишется следующим образом:
Мы знаем, что при малых скоростях сила вязкого трения пропорциональна скорости движения:
Учтем, что проекция скорости есть первая производная от координаты тела, а проекция ускорения – вторая производная от координаты:
Тогда уравнение (2) примет вид:
получим уравнение движения в следующем виде:
где d - коэффициент затухания, он зависит от коэффициента трения r,
w 0 - циклическая частота идеальных колебаний (в отсутствие трения).
Прежде чем решать уравнение (3), рассмотрим колебательный контур. Активное сопротивление катушки включено последовательно с емкостью С и индуктивностью L.
Запишем второй закон Кирхгофа
Учтем, что , , .
Тогда второй закон Кирхгофа примет вид:
Разделим обе части уравнения на :
Введем обозначения
Окончательно получаем
Обратите внимание на математическую тождественность дифференциальных уравнений (3) и (3’). В этом нет ничего удивительного. Мы уже показывали абсолютную математическую тождественность процесса колебания маятника и электромагнитных колебаний в контуре. Очевидно, процессы затухания колебаний в контуре и в системах с вязким трением тоже происходят одинаково.
Решив уравнение (3), мы получим ответы на все поставленные выше вопросы.
Решение этого уравнения нам известно
Тогда для искомого уравнения (3) получаем окончательный результат
Нетрудно видеть, что заряд конденсатора в реальном колебательном контуре будет изменяться по закону
Анализ полученного результата:
1 В результате совместного действия квазиупругой силы и силы сопротивления система может совершать колебательное движение. Для этого должно выполняться условие w 0 2 - d 2 > 0. Иными словами, трение в системе должно быть невелико.
2 Частота затухающих колебаний w не совпадает с частотой колебаний системы в отсутствие трения w 2 = w 0 2 - d 2 < w 0 2 . С течение времени частота затухающих колебаний остается неизменной.
Если коэффициент затухания d мал, то частота затухающих колебаний близка к собственной частоте w 0 .
Это убывание амплитуды происходит по экспоненциальному закону.
4 Если w 0 2 - d 2 < 0, то есть трение в системе велико, то уравнение (3) имеет решение вида
Непосредственной подстановкой легко убедиться, что функция (4) действительно является решением уравнения (3). Очевидно, что сумма двух экспоненциальных функций не является периодической функцией. С физической точки зрения это означает, что колебания в системе не возникнут. После выведения системы из положения равновесия она будет медленно в него возвращаться. Такой процесс называется апериодическим .
§2 Как быстро затухают колебания в системах с вязким трением?
Декремент затухания
значение величины . Видно, что величина d характеризует быстроту затухания колебаний. По этой причине d называют коэффициентом затухания.
Для электрических колебаний в контуре коэффициент затухания зависит от параметров катушки: чем больше активное сопротивление катушки, тем быстрее убывают амплитуды заряда на конденсаторе, напряжения, силы тока.
Функция является произведением убывающей показательной функции и гармонической функции , поэтому функция не является гармонической. Но обладает определенной степенью «повторяемости», заключающейся в том, что максимумы, минимумы, нули функции наступают через равные промежутки времени. График функции представляет собой синусоиду, ограниченную двумя экспонентами.
Найдем отношение двух последовательных амплитуд, разделенных промежутком времени в один период. Это отношение называют декрементом затухания
Обратите внимание, что результат не зависит от того, какие два последовательных периода вы рассматриваете – в начале колебательного движения или по прошествии какого-то времени. За каждый период амплитуда колебаний меняется не на одинаковую величину, а в одинаковое количество раз !!
Нетрудно видеть, что за любые разные промежутки времени амплитуда затухающих колебаний уменьшается в одинаковое количество раз.
Время релаксации
Временем релаксации называется время , за которое амплитуда затухающих колебаний уменьшается в е раз:
Отсюда нетрудно установить физический смысл коэффициента затухания:
Таким образом, коэффициент затухания есть величина, обратная времени релаксации . Пусть, например, в колебательном контуре коэффициент затухания равен . Это значит, что через время с амплитуда колебаний уменьшится в е раз.
Логарифмический декремент затухания
Часто быстроту затухания колебаний характеризуют логарифмическим декрементом затухания. Для этого берут натуральный логарифм от отношения амплитуд, разделенных промежутком времени в период.
Выясним физический смысл логарифмического декремента затухания.
Пусть N – число колебаний, совершаемых системой за время релаксации, то есть число колебаний, за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз. Очевидно, .
Видно, что логарифмический декремент затухания - есть величина, обратная числу колебаний, по прошествии которых амплитуда уменьшается в е раз.
Допустим, , это значит, что по прошествии 100 колебаний амплитуда уменьшится в е раз.
Добротность колебательной системы
Кроме логарифмического декремента затухания и времени релаксации, быстроту затухания колебаний можно характеризовать такой величиной, как добротность колебательной системы . Под добротностью
Можно показать, что для слабо затухающих колебаний
Энергия колебательной системы в произвольный момент времени равна . Потери энергии за период можно найти как разность энергии в момент времени и энергии через время, равное периоду:
Показательную функцию можно разложить в ряд при << 1. после подстановки получаем .
При выводе нами было наложено ограничение << 1, что верно только для слабо затухающих колебаний. Следовательно, область применения выражения для добротности ограничена только слабо затухающими колебаниями. Тогда как выражение применимо к любой колебательной системе.
Формулы, полученные нами для добротности системы, пока ни о чем не говорят. Допустим, расчеты дают значение добротности Q = 10. Что это означает? Как быстро затухают колебания? Это хорошо или плохо?
Обычно условно считают, что колебания практически прекратились, если их энергия уменьшилась в 100 раз (амплитуда – в 10). Выясним, какое количество колебаний совершила система к этому моменту:
Можем ответить на поставленный ранее вопрос: N = 8.
Какая колебательная система лучше – с большой или малой добротностью? Ответ на этот вопрос зависит от того, что вы хотите получить от колебательной системы.
Если вы желаете, чтобы система совершила как можно больше колебаний до остановки, добротность системы нужно увеличивать. Как? Поскольку добротность определяется параметрами самой колебательной системы, то необходимо правильно эти параметры подобрать.
Например, маятник Фуко, установленный в Исаакиевском соборе, должен был совершать слабо затухающие колебания. Тогда
Самый простой способ увеличить добротность маятника – сделать его тяжелее.
В практике нередко возникают и обратные задачи: необходимо по возможности быстрее погасить возникшие колебания (например, колебание стрелки измерительного прибора, колебания кузова автомобиля, колебания судна и т.д.) приспособления, позволяющие увеличить затухание в системе, называются демпферами (или амортизаторами). Например, амортизатор автомобиля в первом приближении представляет собой цилиндр, заполненный маслом (вязкой жидкостью), в котором может двигаться поршень, имеющий ряд мелких отверстий. Шток поршня соединен с кузовом, а цилиндр – с осью колеса. Возникшие колебания кузова быстро затухают, так как движущийся поршень встречает на своем пути большое сопротивление со стороны вязкой жидкости, заполняющей цилиндр.
§ 3 Затухание колебаний в системах с сухим трением
Принципиально иначе происходит затухание колебаний, если в системе действует сила трения скольжения. Именно она является причиной остановки пружинного маятника, совершающего колебания вдоль какой-либо поверхности.
Допустим, пружинный маятник, расположенный на горизонтальной поверхности, привели в колебательное движение, сжав пружину и отпустив груз, то есть из крайнего положения. В процессе движения груза из одного крайнего положения в другое на него действуют сила тяжести и сила реакции опоры (по вертикали), сила упругости и сила трения скольжения (вдоль поверхности).
Заметим, что в процессе движения слева направо сила трения неизменна по направлению и модулю.
Этот позволяет утверждать, что в течение первой половины периода пружинный маятник находится в постоянном силовом поле.
Смещение положения равновесия можно рассчитать из условия равенства равнодействующей нулю в положении равновесия:
Важно, что в течение первой половины периода колебания маятника гармонические !
При движении в обратном направлении – справа налево- сила трения изменит направление, но в течение всего перехода будет оставаться постоянной по модулю и направлению. Эта ситуация опять таки соответствует колебаниям маятника в постоянном силовом поле. Только теперь это поле другое! Оно изменило направление. Следовательно, положение равновесия при движении справа налево тоже изменилось. Теперь оно сместилось вправо на величину Dl 0 .
Изобразим зависимость координаты тела от времени. Поскольку за каждую половину периода движение представляет собой гармоническое колебание, то график будет представлять собой половинки синусоид, каждая из которых построена относительно своего положения равновесия. Мы будем производить операцию «сшивания решений».
Покажем, как это делается на конкретном примере.
Пусть масса груза, прикрепленного к пружине, равна 200 г, жесткость пружины 20 Н/м, коэффициент трения между грузом и поверхностью стола 0,1. Маятник привели в колебательное движение, растянув пружину на
6,5 см.
В отличие от колебательных систем с вязким трением в системах с сухим трением амплитуда колебаний убывает с течением времени по линейному закону – за каждый период она уменьшается на две ширины зоны застоя.
Другая отличительная особенность - колебания в системах с сухим трением даже теоретически не могут происходить бесконечно долго. Они прекращаются, как только тело останавливается в «зоне застоя».
§4 Примеры решения задач
Задача 1 Характер изменения амплитуды затухающих колебаний в системах с вязким трением
Амплитуда затухающих колебаний маятника за время t 1 = 5 мин уменьшилась в 2 раза. За какое время t 2 амплитуда колебаний уменьшится в 8 раз? Через какое время t 3 можно считать, что колебания маятника прекратились?
Решение:
Амплитуда колебаний в системах с вязким трением с течением време-
ни уменьшается по экспоненте , где - амплитуда колебаний в начальный момент времени, - коэффициент затухания.
1 Запишем закон изменения амплитуда два раза
2 Решаем уравнения совместно. Логарифмируем каждое уравнение и получаем
Делим второе уравнение не первое и находим время t 2
После преобразований получаем
Делим последнее уравнение на уравнение (*)
Задача 2 Период затухающих колебаний в системах с вязким трением
Определите период затухающих колебаний системы Т, если период собственных колебаний Т 0 = 1 с, а логарифмический декремент затухания . Сколько колебаний совершит эта система до полной остановки?
Решение:
1 Период затухающих колебаний в системе с вязким трением больше периода собственных колебаний (при отсутствии трения в системе). Частота затухающих колебаний, наоборот, меньше частоты собственных и равна , где - коэффициент затухания.
2 Выразим циклическую частоту через период. и учтем, что логарифмический декремент затухания равен :
3 После преобразований получаем .
Энергия системы равна максимальной потенциальной энергии маятника
После преобразований получаем
5 Выражаем коэффициент затухания через логарифмический декремент , получаем
Число колебаний, которое совершит система до остановки, равно
Задача 3 Число колебаний, совершаемых маятником до уменьшения амплитуды в два раза
Логарифмический декремент затухания маятника равен q = 3×10 -3 . Определите число полных колебаний, которое должен совершить маятник, чтобы амплитуда его колебаний уменьшилась в 2 раза.
Решение:
3 Нетрудно видеть, что - логарифмический декремент затухания. Получаем
Находим число колебаний
Задача 4 Добротность колебательной системы
Определите добротность маятника, если за время, в течение которого было совершено 10 колебаний, амплитуда уменьшилась в 2 раза. Через какое время маятник остановится?
Решение:
1 Амплитуда колебаний в системах с вязким трением с течением времени уменьшается по экспоненте , где - амплитуда колебаний в начальный момент времени, - коэффициент затухания.
Поскольку амплитуда колебаний уменьшается в 2 раза, получаем
2 Время колебаний можно представить как произведение периода колебаний на их количество :
Подставляем полученное значение времени в выражение (*)
3 Нетрудно видеть, что - логарифмический декремент затухания. Получаем Логарифмический декремент затухания равен
4 Добротность колебательной системы
Энергия системы равна максимальной потенциальной энергии маятника
После преобразований получаем
Находим время, через которое колебания прекратятся .
Задача 5 Колебания магнита
Вася Лисичкин, известный на всю школу экспериментатор, решил заставить колебаться магнитную фигурку любимого литературного героя Колобка по стенке холодильника. Он прикрепил фигурку к пружине жесткостью k = 10 H/м, растянул ее на 10 см и отпустил. Сколько колебаний совершит Колобок, если масса фигурки m = 10 г, коэффициент трения между фигуркой и стенкой равен μ = 0,4 , а оторвать ее от стенки можно силой F = 0,5 Н.
Решение:
1 При движении из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение, когда скорость груза направлена вверх, сила трения скольжения направлена вниз и численно равна . Таким образом, пружинный маятник находится в постоянном силовом поле, созданном силами тяжести и трения. В постоянном силовом поле у маятника смещается положения равновесия:
где - растяжение пружины в новом «положении равновесия».
2 При движении из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение, когда скорость груза направлена вниз, сила трения скольжения направлена вверх и численно равна . Таким образом, пружинный маятник опять-таки находится в постоянном силовом поле, созданном силами тяжести и трения. В постоянном силовом поле у маятника смещается положения равновесия:
где - деформация пружины в новом «положении равновесия», знак «-» говорит, что в этом положении пружина сжата.
3 Зона застоя ограничена деформациями пружины от - 1 см до 3 см и составляет 4 см. Середина зоны застоя, в которой деформация пружины равна 1 см, соответствует положению груза, в котором сила трения отсутствует. В зоне застоя сила упругости пружины по модулю меньше равнодействующей максимальной силы трения покоя и силы тяжести. Если маятник останавливается в зоне застоя, колебания прекращаются.
4 За каждый период деформация пружины уменьшается на две ширины зоны застоя, т.е. на 8 см. После одного колебания деформация пружины станет равной 10 см – 8 см = 2 см. Это означает, что после одного колебания фигурка Колобка попадает в зону застоя и ее колебания прекращаются.
§5 Задания для самостоятельного решения
Тест «Затухающие колебания»
1 Под затуханием колебаний понимают…
А) уменьшение частоты колебаний; Б) уменьшение периода колебаний;
В) уменьшение амплитуды колебаний; Г) уменьшение фазы колебаний.
2 Причина затухания свободных колебаний –
А) действие на систему случайных факторов, тормозящих колебания;
Б) действие периодически изменяющейся внешней силы;
В) наличие в системе силы трения;
Г) постепенное уменьшение квазиупругой силы, стремящейся вернуть маятник в положение равновесия.
?А) 5 см; Б) 4 см; В) 3 см;
Г) Ответ дать не возможно, поскольку неизвестно время .
6 Два одинаковых маятника, находясь в разных вязких средах, совершают колебания. Амплитуда этих колебаний меняется с течением времени так, как показано на рисунке. В какой среде трение больше?
7 Два маятника, находясь в одинаковых средах, совершают колебания. Амплитуда этих колебаний меняется с течением времени так, как показано на рисунке. Какой маятник имеет большую массу?
В) Ответ дать невозможно, поскольку по осям координат не проставлен масштаб и выполнить расчеты нельзя.
8 На каком рисунке правильно показана зависимость координаты затухающих колебаний в системе с вязким трением от времени?
А) 1; Б) 2; В) 3; Г) Все графики верные.
9 Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими затухание колебаний в системах с вязким трением, и их определением и физическим смыслом. Заполните таблицу
А) Это отношение амплитуд колебаний через время, равное периоду;
Б) Это натуральный логарифм отношения амплитуд колебаний через время, равное периоду;
В) Это время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в е раз;
Ж) Эта величина обратна числу колебаний, за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз;
З) Эта величина показывает во сколько раз уменьшается амплитуда колебаний за время, равное периоду колебаний.
10 Составьте правильное утверждение.
Под добротностью понимают…
А) увеличенное в 2p раз отношение полной энергии системы E к энергии W , рассеянной за период;
Б) отношение амплитуд через промежуток времени, равный периоду;
В) количество колебаний, которое совершает система к тому моменту, когда амплитуда уменьшится в е раз.
Добротность рассчитывают по формуле…
Добротность колебательной системы зависит от…
А) энергии системы;
Б) потерь энергии за период;
В) параметров колебательной системы и трения в ней.
Чем больше добротность колебательной системы, тем …
А) медленнее затухают колебания;
Б) быстрее затухают колебания.
11 Математический маятник приводят в колебательное движение, отклонив подвес от положения равновесия в первом случае на 15°, во втором – на 10°. В каком случае маятник совершит больше колебаний до остановки?
А) Когда подвес отклонили на 15°;
Б) Когда подвес отклонили на 10°;
В) В обоих случаях маятник совершит одинаковое число колебаний.
12 К двум нитям одинаковой длины прикрепили шарики одинакового радиуса – алюминиевый и медный. Маятники приводят в колебательное движение, отклонив их на одинаковые углы. Какой из маятников совершит большее количество колебаний до остановки?
А) Алюминиевый; Б) Медный;
В) Оба маятника совершат одинаковое количество колебаний.
13 Пружинный маятник, расположенный на горизонтальной поверхности, привели в колебания, растянув пружину на 9 см. После совершения трех полных колебаний маятник оказался на расстоянии 6 см от положения недеформированной пружины. На каком расстоянии от положения недеформированной пружины окажется маятник после следующих трех колебаний?
А) 5 см; Б) 4 см; В) 3 см.
§6 Затухающие колебания
Декремент затухания. Логарифмический декремент затухания.
Свободные колебания технических систем в реальных условиях протекают, когда на них действуют силы сопротивления. Действие этих сил приводит к уменьшению амплитуды колеблющейся величины.
Колебания, амплитуда которых из-за потерь энергии реальной колебательной системы уменьшается с течением времени, называются затухающими .
Наиболее часто встречается случаи, когда сила сопротивления пропорциональна скорости движения
где r - коэффициент сопротивления среды. Знак минус показывает, что F C направлена в сторону противоположную скорости.
Запишем уравнение колебаний в точке, колеблющийся в среде, коэффициент сопротивлений которой r . По второму закону Ньютона
где β - коэффициент затухания. Этот коэффициент характеризует скорость затухания колебаний, При наличии сил сопротивления энергия колеблющейся системы будет постепенно убывать, колебания будут затухать.
- дифференциальное уравнение затухающих колебаний.
Уравнение затухающих колебаний.
ω - частота затухающих колебаний:
Период затухающих колебаний:
Затухающие колебания при строгом рассмотрении не являются периодическими. Поэтому о периоде затухаюших колебаний можно гово-рить, когда β мало.
Если затухания выражены слабо (β→0), то . Затухающие колебания можно
рассматривать как гармонические колебания, амплитуда которых меняется по экспоненциальному закону
В уравнении (1) А 0 и φ 0 - произвольные константы, зависящие от выбора момента времени, начиная е которого мы рассматриваем колебания
Рассмотрим колебание в течение, некоторого времени τ, за которое амплитуда уменьшится в е раз
τ - время релаксации.
Коэффициент затихания β обратно пропорционален времени, в течение которого амплитуда уменьшается в е раз. Однако коэффициента затухания недостаточна для характеристики затуханий колебаний. Поэтому необходимо ввести такую характеристику для затухания колебаний, в которую входит время одного колебаний. Такой характеристикой является декремент (по-русски: уменьшение) затухания D , который равен отношению амплитуд, отстоящих по времени на период:
Логарифмический декремент затухания равен логарифму D :
Логарифмический декремент затухания обратно пропорционален числу колебаний, в результате которых амплитуда колебаний умень-шилась в е раз. Логарифмический декремент затухания - постоянная для данной системы величина.
Еще одной характеристикой колебательной система является добротность Q .
Добротность пропорциональна числу колебаний, совершаемых системой, за время релаксации τ.
Q колебательной системы является мерой относительной диссипации (рассеивания) энергии.
Q колебательной системы называется число, показывающее во сколько раз сила упругости больше силы сопротивления.
§7 Вынужденные колебания.
Резонанс
В целом ряде случаев возникает необходимость создания систем, совершающих незатухающие колебания. Получить незатухающие колебания в системе можно, если компенсировать потери энергии, воздействуя на систему периодически изменяющейся силой.
Пусть
Запишем выражение для уравнения движения материальной точки, совершающей гармоническое колебательное движение под действием вынуждающей силы.
По второму закону Ньютона:
(1)
Дифференциальное уравнение вынуж-денных колебаний.
Это дифференциальное уравнение является линейным неоднородным.
Его решение равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения:
Найдем частное решение неоднородного уравнения. Для этого перепишем уравнение (1) в следующем виде:
(2)
Частное решение этого уравнения будем искать в виде:
Тогда
Подставим в (2):
т.к. выполняется для любого t , то должно выполняться равенство γ = ω , следовательно,
Это комплексное число удобно представить в виде
где А определяется по формуле (3 ниже), а φ - по формуле (4), следовательно, решение (2),в комплексной форме имеет вид
Его вещественная часть, являвшаяся решением уравнения (1) равна:
где
(3)
(4)
Слагаемое Х о.о. играет существенную роль только в начальной стадии при установлении колебаний до тех пор, пока амплитуда вынужденных колебаний не достигнет значения определяемого равенством (3). В установившемся режиме вынужденные колебания происходят с частотой ω и являются гармоническими. Амплитуда (3) и фаза (4) вынужденных колебаний зависят от частоты вынуждающей силы. При определенной частоте вынуждающей силы амплитуда может достигнуть очень больших значений. Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте механи-ческой системы, называется резонансом .
Частота ω вынуждающей силы, при которой наблюдается резонанс, называется резонансной. Для того чтобы найти значение ω рез, необходимо найти условие максимума амплитуды. Для этого нужно определить условие минимума знаменателя в (3) (т.е. исследовать (3) на экстремум).
Зависимость амплитуды колеблющейся величины от частоты вынуждающей силы называется резонансной кривой . Резонансная кривая будет тем выше, чем меньше коэффициент затухания β и с уменьшением β, максимум резонансных кривых смешается вправо. Если β = 0, то
ω рез = ω 0 .
При ω→0 все кривые приходят к значению - статическое отклонение.
Параметрический резонанс возникает в том случае, когда периодическое изменение одного из параметров система приводит к резкому увеличению амплитуды колеблющейся системы. Например, кабины, делающие "солнышко" за счет изменения положения центра тяжести система.(То же в "лодочках".) См. §61 .т. 1 Савельев И.В.
Автоколебаниями называются такие колебания, энергия которых периодически пополняется в результате воздействия самой системы за счет источника энергии, находящегося в этой же системе. См. §59 т.1 Савельев И.В.В реальной действительности свободные колебания происходят в условиях действия сил сопротивления. Диссипативные силы ведут к уменьшению амплитуды колебаний. Колебания, амплитуда которых с течением времени становится меньше в результате потерь энергии, называются затухающими.
Затухающие механические колебания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Физическую величину, которая характеризует скорость затухания колебаний, называют коэффициентом затухания . Коэффициент затухания могут обозначать по-разному: и т.д. При условии пропорциональности сил трения скорости движения тела:
где — является обобщенным коэффициентом трения, коэффициент затухания считают равным:
где — масса тела, совершающего колебания.
Дифференциальное уравнение колебаний при наличии затухания будет иметь вид:
— циклическая частота свободных колебаний системы при отсутствии трения.Уравнение затухающих колебаний:
где 
— частота затухающих колебаний, — амплитуда затухающих колебаний. — постоянная величина, которая зависит от выбора начала отсчета времени.
Коэффициент затухания можно определить как величину обратную времени () за которое амплитуд (A) уменьшается в e раз:
где — время релаксации. То есть можно записать:
Период затухающих колебаний равен:
при несущественном сопротивлении среды, если выполняется неравенство: период колебаний можно вычислять при помощи формулы:
При увеличении коэффициента затухания период колебаний растет. Надо заметить, что понятие период затухающих колебаний не совпадает с понятием незатухающих колебаний, так как система при наличии затухания никогда не возвращается в исходное состояние. Период затухающих колебаний — это минимальный промежуток времени в течение которого, система два раза проходит положение равновесия в одном направлении.
С увеличением коэффициента затухания колебаний частота колебаний уменьшается. Если , то частота затухающих колебаний станет равна нулю, при этом период увеличивается до бесконечности. Такие колебания теряют периодичность и называются апериодическими. При равенстве коэффициента затухания собственной частоте колебаний параметры системы называют критическими.
Коэффициент затухания колебаний связан с логарифмическим декрементом затухания () выражением:
Затухающие электрические колебания
Любой электрический контур, существующий в реальной действительности, имеет активное сопротивление, следовательно, энергия, запасённая в нем с течением времени расходуется на этом сопротивлении, так как происходит его нагревание.
При этом коэффициент затухания для электрического контура вычисляют как:
где R — сопротивление, L- индуктивность контура.
Частота в электромагнитном контуре представлена формулой:
Для RLC контура критическим сопротивлением () при котором колебания становятся апериодическими является сопротивление, равное:
Единицы измерения коэффициента затухания колебаний
Основной единицей измерения коэффициента затухания в системе СИ является:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Каков коэффициент затухания, если амплитуда колебаний маятника за время t=10 c. уменьшается в 4 раза? |
| Решение | Запишем уравнение затухающих колебаний маятника:
По одному из определений коэффициента затухания: Проведем вычисления:
|
| Ответ |  |
ПРИМЕР 2
| Задание | Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L, конденсатора C и сопротивления R (рис.1). Через какое число полных колебаний (N) амплитуда тока в контуре уменьшится в e -раз?
|
| Решение | Введем следующие обозначения: — начальное значение амплитуды силы тока, — амплитуда силы тока через N колебаний, тогда можно записать:
|
И получите два бесплатных урока
в школе английского языка SkyEng!
Занимаюсь там сам - очень круто. Прогресс налицо.
В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.
Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Жмите
Затухание колебаний
Свободные колебания в реальных условиях не могут продолжаться вечно. Для механических систем всегда имеет место сопротивление среды, вследствие чего энергия движения объекта рассеивается при трении. В электромагнитных контурах колебания затухают за счет сопротивления проводников.
Уравнение затухающих колебаний
Уравнение затухающих колебаний описывает движение реальных колебательных систем. В дифференциальной форме оно записывается следующим образом:
Из этого выражения можно получить еще одну каноническую форму:
Здесь x и t – координаты пространства и времени, А – первоначальная амплитуда. – коэффициент затухания, который зависит от сопротивления среды r и массы колеблющегося объекта m:
Чем больше сопротивление среды, тем больше энергии рассеивается при вязком трении. И наоборот – чем больше масса (а значит, инерционность) тела, тем дольше оно будет продолжать движение.
Циклическая частота свободных колебаний (такой же системы, но без трения) учитывает силу упругости в системе (например, жесткость пружины k):
Строго говоря, в случае затухающих колебаний нельзя говорить про период – время между повторяющимися движениями системы постоянно увеличивается. Однако если колебания затухают медленно, для них с достаточной точностью можно определить период Т:
Циклическая частота затухающих колебаний
Еще одна характеристика затухающих колебаний – циклическая частота:
Время релаксации – это коэффициент, показывающий, за какое время амплитуда колебаний уменьшится в е раз:
Отношение амплитуды изменяющейся величины в двух последовательных периодах называют декрементом затухания:
Эту же характеристику при расчетах часто представляют в виде логарифма:
Добротность Q характеризует, насколько силы упругости системы превышают силы сопротивления среды, препятствуя диссипации энергии:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | После того, как к пружине подвесили груз, она растянулась на 9,8 см. Пружина колеблется в вертикальном направлении, . Определить период колебаний. |
| Решение | Так как пружина растягивается под весом, то на нее действует сила тяжести:
Силе тяжести противодействует сила упругости пружины: Из двух выражений найдём коэффициент упругости: Подставим коэффициент упругости в формулу для периода затухающих колебаний: Зная, что логарифмический декремент затухания выразим из него неизвестную величину , подставим в знаменатель формулы и выразим Т: |
| Ответ |
