Свободные одномерные колебания

Содержание

Введение

Свободные одномерные колебания

Вынужденные колебания

Колебания систем со многими степенями свободы

Затухающие колебания

Вынужденные колебания при наличии трения

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Работа посвящена изучению различных колебаний. В механике и акустике, в радиофизике и оптике, в квантовой физике и физике твердого тела — всюду мы сталкиваемся с колебаниями. Единый подход к изучению колебаний основанный на общности уравнений, описывающих колебательные закономерности, позволяет выявить глубокие связи между различными, на первый взгляд, явлениями. Таким образом, изучая колебания, мы будем обращать внимание не только на то, что «волнуется» и что «колеблется», а главным образом на то, как и почему происходят колебания.

Свободные одномерные колебания

Очень распространенный тип движения механических систем представляют собой, так называемые малые колебания, которые система совершает вблизи своего положения устойчивого равновесия. Рассмотрение этих движений мы начнем с наиболее простого случая, когда система имеет всего одну степень свободы.

Устойчивому равновесию соответствует такое положение системы, в котором ее потенциальная энергия U(q) имеет минимум; отклонение от такого положения приводит к возникновению силы — dU / dq, стремящейся вернуть систему обратно. Обозначим соответствующее значение обобщенной координаты посредством q0. При малых отклонениях от положения равновесия в разложении разности U(q)—U(q0) по степеням q — q0 достаточно сохранить первый неисчезающий член. В общем случае таковым является член второго порядка

где k — положительный коэффициент (значение второй производной U" (q) при q = q0). Будем в дальнейшем отсчитывать потенциальную энергию от ее минимального значения (т. е. положим U(q0) = 0) и введем обозначение

x = q – q₀ (1, 1)

для отклонения координаты от ее равновесного значения. Таким образом,

U(x) = kx²/2. (1,2)

Кинетическая энергия системы с одной степенью свободы имеет в общем случае вид

В том же приближении достаточно заменить функцию a(q) просто ее значением при q = q₀. Вводя для краткости обозначение

получим окончательно следующее выражение для лагранжевой функции системы, совершающей одномерные малые колебания:

(1,3)

Соответствующее этой функции уравнение движения гласит:

(1,4) или

(1,5)

где введено обозначение

(1,6)

Два независимых решения линейного дифференциального уравнения

(1,5): cos ωt и sin ωt, так что его общее решение

(1,7)

Это выражение может быть написано также и в виде

(1,8)

Поскольку cos (ωt + α) = cos ωt cos α — sin ωt sin α, то сравнение с (1,7) показывает, что произвольные постоянные связаны с постоянными

соотношениями

(1.9)

Таким образом, вблизи положения устойчивого равновесия система совершает гармоническое колебательное движение. Коэффициент а при периодическом множителе в (1,8) называется амплитудой колебаний, а аргумент косинуса — их фазой; а есть начальное значение фазы, зависящее, очевидно, от выбора начала отсчета времени. Величина ω называется циклической частотой колебаний; в теоретической физике, впрочем, ее называют обычно просто частотой, что мы и будем делать в дальнейшем.

Частота является основной характеристикой колебаний, не зависящей от начальных условий движения. Согласно формуле (1,6) она всецело определяется свойствами механической системы как таковой. Подчеркнем, однако, что это свойство частоты связано с предполагаемой малостью колебаний и исчезает при переходе к более высоким приближениям. С математической точки зрения оно связано с квадратичной зависимостью потенциальной энергии от координаты.

Энергия системы, совершающей малые колебания, есть

или, подставив сюда (21,8):

(1,10)

Она пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

Зависимость координаты колеблющейся системы от времени часто оказывается удобным представлять в виде вещественной части комплексного выражения

(1,11)

где А — комплексная постоянная; написав ее в виде

A = ae^ia, (1,12)

мы вернемся к выражению (1,8). Постоянную А называют комплексной амплитудой;ее модуль совпадает с обычной амплитудой, а аргумент — с начальной фазой.

Оперирование с экспоненциальными множителями в математическом отношении проще, чем с тригонометрическими, так как дифференцирование не меняет их вида. При этом пока мы производим лишь линейные операции (сложение, умножение на постоянные коэффициенты, дифференцирование, интегрирование), можно вообще опускать знак взятия вещественной части, переходя к последней лишь в окончательном результате вычислений.