Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

§2 Пружинный маятник.

Упругие и квазиупругие силы .

Уравнение колеблющейся пружины

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеРассмотрим тело массы m , закрепленное на пружине с коэффициентом жесткости k (массой пружины пренебрегаем). Растянем пружину на х. Тогда по закону Гука на тело будет действовать сила упругости F упр :

1) величина силы пропорциональна величине отклонения системы от положения равновесия

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

2) направление сила противоположно направлении смещения, т.е. сила всегда направлена к положению равновесия (при х > 0, F упр F упр > 0)

3) В положении равновесия х = 0 и F упр = 0.

Систему, состоящую из материальной точки массы m и абсолютно упругой пружины с коэффициентом жесткости k , в которой возможны свободные колебания, называют пружинным маятником.

Запишем второй закон Ньютона для рис. б

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Если сила не является по своей природе упругой, но подчиняется закону F = — k х , то она называется квазиупругой силой.

Получим уравнение пружинного маятника. Учтем в записи второго закона Ньютона, что

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— дифференциальное уравнение точки, совершающей колебательное движение (дифференциальное уравнение пружинного маятника).

Решение дифференциального уравнения:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— уравнение колеблющейся точки (уравнение колеблющейся пружины).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— собственная частота колебаний.

§3 Математический и физический маятники.

Периоды колебаний математического и физического маятников

Математический маятник — материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити, и совершавшая колебания в вертикальной плоскости под действием силы тяжести. Материальная точка — тело, масса которого сосредоточена в центре масс и размерами которого в условиях данной задачи, можно пренебречь.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеМатематический маятник при колебаниях совершает движение по дуге окружности радиуса Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Его движение подчиняется законам вращательного движения.

Основное уравнение вращательного цветения запишется в виде

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1)

М – момент сил, I – момент инерции, ε – угловое ускорение.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Равнодействующая сил Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеи Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеравна Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.

Из треугольника АВС

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

таким образом, колебания математического маятника происходят под действием квазиупругой силы — силы тяжести.

Тогда (1) запишется в виде

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(2)

Знак минус учитывает, что векторы Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеи Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеимеют противоположные направления (угол поворота можно рассматривать, как псевдовектор углового смещения Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, направление вектора Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеопределяется по правилу правого винта, из-за знака минус Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениенаправлен в противоположную сторону).

Сократив в (2) на m и Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеполучим

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

При малых углах колебаний α = 5 ÷6° , Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, получим

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

получим дифференциальное уравнение колебаний математического маятника

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

уравнение математического маятника.

из которого видно, что угол α изменяется по закону косинуса. α0 — амплитуда, ω0 — циклическая частота, φ0 — начальная фаза.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— период колебаний математического маятника

Физический маятник — твердое тело, колеблющееся под действием силы тяжести вокруг неподвижной горизонтальной оси, не проходящей через центр тяжести тела, называемой осью качания маятника.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеОсновное уравнение – вращательного движения для физического маятника запишется в виде

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

При малых углах колебаний Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеи уравнение движения имеет вид

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— дифференциальное уравнение физического маятника.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

— период колебаний физического маятника

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

следовательно, математический маятник с длиной

Видео:Математические и пружинные маятники. 11 класс.Скачать

Математические и пружинные маятники. 11 класс.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Простейшими из колебаний являются гармонические. Это колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса.

Рассмотрим пружинный маятник (Рис. 1.7.1).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.1. Пружинный маятник

В состоянии покоя сила тяжести уравновешивается упругой силой:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.1)

Если сместить шарик от положения равновесия на расстояние х, то удлинение пружины станет равным Δl0 + х. Тогда результирующая сила примет значение:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.2)

Учитывая условие равновесия (1.7.1), получим:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.3)

Знак «минус» показывает, что смещение и сила имеют противоположные направления.

Упругая сила f обладает следующими свойствами:

  1. Она пропорциональна смещению шарика из положения равновесия;
  2. Она всегда направлена к положению равновесия.

Для того, чтобы сообщить системе смещение х, нужно совершить против упругой силы работу:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.4)

Эта работа идет на создание запаса потенциальной энергии системы:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.5)

Под действием упругой силы шарик будет двигаться к положению равновесия со все возрастающей скоростью Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Поэтому потенциальная энергия системы будет убывать, зато возрастает кинетическая энергия Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(массой пружины пренебрегаем). Придя в положение равновесия, шарик будет продолжать двигаться по инерции. Это — замедленное движение и прекратится тогда, когда кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную. Затем такой же процесс будет протекать при движении шарика в обратном направлении. Если трение в системе отсутствует, шарик будет колебаться неограниченно долго.

Уравнение второго закона Ньютона в этом случае имеет вид:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.6)

Преобразуем уравнение так:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.7)

Вводя обозначение Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, получим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.8)

Прямой подстановкой легко убедиться, что общее решение уравнения (1.7.8) имеет вид:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.9)

где а — амплитуда и φ — начальная фаза колебания — постоянные величины. Следовательно, колебание пружинного маятника является гармоническим (Рис. 1.7.2).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.2. Гармоническое колебание

Вследствие периодичности косинуса различные состояния колебательной системы повторяются через определенный промежуток времени (период колебаний) Т, за который фаза колебания получает приращение 2π. Рассчитать период можно с помощью равенства:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.10)

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.11)

Число колебаний в единицу времени называется частотой:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.12)

За единицу частоты принимается частота такого колебания, период которого равен 1 с. Такую единицу называют 1 Гц.

Из (1.7.11) следует, что:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.13)

Следовательно, ω0 — это число колебаний, совершаемое за 2π секунд. Величину ω0 называют круговой или циклической частотой. Используя (1.7.12) и (1.7.13), запишем:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.14)

Дифференцируя (1.7.9) по времени, получим выражение для скорости шарика:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.15)

Из (1.7.15) следует, что скорость также изменяется по гармоническому закону и опережает смещение по фазе на ½π. Дифференцируя (1.7.15), получим ускорение:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.16)

1.7.2. Математический маятник

Математическим маятником называют идеализированную систему, состоящую из нерастяжимой невесомой нити, на которой подвешено тело, вся масса которого сосредоточена в одной точке.

Отклонение маятника от положения равновесия характеризуют углом φ, образованным нитью с вертикалью (Рис. 1.7.3).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.3. Математический маятник

При отклонении маятника от положения равновесия возникает вращательный момент, который стремится вернуть маятник в положение равновесия:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.17)

Напишем для маятника уравнение динамики вращательного движения, учитывая, что момент его инерции равен ml 2 :

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.18)

Это уравнение можно привести к виду:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.19)

Ограничиваясь случаем малых колебаний sinφ ≈ φ и вводя обозначение:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.20)

уравнение (1.7.19) может быть представлено так:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.21)

что совпадает по форме с уравнением колебаний пружинного маятника. Следовательно, его решением будет гармоническое колебание:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.22)

Из (1.7.20) следует, что циклическая частота колебаний математического маятника зависит от его длины и ускорения свободного падения. Используя формулу для периода колебаний (1.7.11) и (1.7.20), получим известное соотношение:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.23)

1.7.3. Физический маятник

Физическим маятником называется твердое тело, способное совершать колебания вокруг неподвижной точки, не совпадающей с центром инерции. В положении равновесия центр инерции маятника С находится под точкой подвеса О на одной с ней вертикали (Рис. 1.7.4).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.4. Физический маятник

При отклонении маятника от положения равновесия на угол φ возникает вращательный момент, который стремится вернуть маятник в положение равновесия:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.24)

где m — масса маятника, l — расстояние между точкой подвеса и центром инерции маятника.

Напишем для маятника уравнение динамики вращательного движения, учитывая, что момент его инерции равен I:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.25)

Для малых колебаний sinφ ≈ φ. Тогда, вводя обозначение:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.26)

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.27)

что также совпадает по форме с уравнением колебаний пружинного маятника. Из уравнений (1.7.27) и (1.7.26) следует, что при малых отклонениях физического маятника от положения равновесия он совершает гармоническое колебание, частота которого зависит от массы маятника, момента инерции и расстояния между осью вращения и центром инерции. С помощью (1.7.26) можно вычислить период колебаний:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.28)

Сравнивая формулы (1.7.28) и (1.7.23) получим, что математический маятник с длиной:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.29)

будет иметь такой же период колебаний, что и рассмотренный физический маятник. Величину (1.7.29) называют приведенной длиной физического маятника. Следовательно, приведенная длина физического маятника — это длина такого математического маятника, период колебаний которого равен периоду колебаний данного физического маятника.

Точка на прямой, соединяющей точку подвеса с центром инерции, лежащая на расстоянии приведенной длины от оси вращения, называется центром качания физического маятника. По теореме Штайнера момент инерции физического маятника равен:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.30)

где I0 — момент инерции относительно центра инерции. Подставляя (1.7.30) в (1.7.29), получим:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.31)

Следовательно, приведенная длина всегда больше расстояния между точкой подвеса и центром инерции маятника, так что точка подвеса и центр качания лежат по разные стороны от центра инерции.

1.7.4. Энергия гармонических колебаний

При гармоническом колебании происходит периодическое взаимное превращение кинетической энергии колеблющегося тела Ек и потенциальной энергии Еп, обусловленной действием квазиупругой силы. Из этих энергий слагается полная энергия Е колебательной системы:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.32)

Распишем последнее выражение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.33)

Но к = mω 2 , поэтому получим выражение для полной энергии колеблющегося тела

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.34)

Таким образом полная энергия гармонического колебания постоянна и пропорциональна квадрату амплитуды и квадрату круговой частоты колебания.

1.7.5. Затухающие колебания .

При изучении гармонических колебаний не учитывались силы трения и сопротивления, которые существуют в реальных системах. Действие этих сил существенно изменяет характер движения, колебание становится затухающим .

Если в системе кроме квазиупругой силы действуют силы сопротивления среды (силы трения), то второй закон Ньютона можно записать так:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.34.а)

Для решения этого дифференциального уравнения необходимо знать, от каких параметров зависит сила трения. Обычно предполагают, что при не очень больших амплитудах и частотах сила трения пропорциональна скорости движения и, естественно, направлена противоположно ей:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.34.б)

где r – коэффициент трения, характеризующий свойства среды оказывать сопротивление движению. Подставим (1.7.34б) в (1.7.34а):

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.34.в)

где Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеβ – коэффициент затухания; ω 0 – круговая частота собственных колебаний системы.

Решение уравнения(1.7.34.в) существенно зависит от знака разности: Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, где ω – круговая частота затухающих колебаний. При Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениекруговая частота ω является действительной величиной и решение (1.7.34.в) будет следующим:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.35)

График этой функции показан на рис.1.7.5 сплошной кривой 1, а штриховой линией 2 изображено изменение амплитуды:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.35.а)

Период затухающих колебаний зависит от коэффициента трения и определяется формулой

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.35.б)

При очень малом трении Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениепериод затухающего колебания близок к периоду незатухающего свободного колебания (1.7.35.б)

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеДифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис.1.7.5. Затухающее колебаниеРис.1.7.6. Апериодический процесс

Быстрота убывания амплитуды колебаний определяется коэффициентом затухания : чем больше β, тем сильнее тормозящее действие среды и тем быстрее уменьшается амплитуда. На практике, степень затухания часто характеризуют логарифмическим декрементом затухания , понимая под этим величину, равную натуральному логарифму отношения двух последовательных амплитуд колебаний, разделенных интервалом времени, равным периоду колебаний:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение;

Следовательно, коэффициент затухания и логарифмический декремент затухания связаны достаточно простой зависимостью:

λ=βT .(1.7.37)

При сильном затухании Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеиз формулы (1.7.37) видно, что период колебания является мнимой величиной. Движение в этом случае уже называется апериодическим . График апериодического движения в виде показан на рис. 1.7.6. Незатухающие и затухающие колебания называют собственными или свободными . Они возникают вследствие начального смещения или начальной скорости и совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии.

1.7.6. Вынужденные колебания. Резонанс .

Вынужденными колебаниями называются такие, которые возникают в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.

Предположим, что на материальную точку кроме квазиупругой силы и силы трения действует внешняя вынуждающая сила

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,

где F 0 – амплитуда; ω – круговая частота колебаний вынуждающей силы. Составим дифференциальное уравнение (второй закон Ньютона):

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.38)

где Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.

Решение дифференциального уравнения (3.19) является суммой двух колебаний: затухающих и незатухающих с амплитудой

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.39)

Амплитуда вынужденного колебания (1.7.39) прямо пропорциональна амплитуде вынуждающей силы и имеет сложную зависимость от коэффициента затухания среды и круговых частот собственного и вынужденного колебания. Если ω 0 и β для системы заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной .

Само явление – достижение максимальной амплитуды для заданных ω 0 и β – называют резонансом.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.7. Резонанс

При отсутствии сопротивления Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеамплитуда вынужденных колебаний при резонансе бесконечно большая. При этом из ω рез =ω 0 , т.е. резонанс в системе без затухания наступает тогда, когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний. Графическая зависимость амплитуды вынужденных колебаний от круговой частоты вынуждающей силы при разных значениях коэффициента затухания показана на рис. 5.

Механический резонанс может быть как полезным, так и вредным явлением. Вредное действие резонанса связано главным образом с разрушением, которое он может вызвать. Так, в технике, учитывая разные вибрации, необходимо предусматривать возможные возникновения резонансных условий, в противном случае могут быть разрушения и катастрофы. Тела обычно имеют несколько собственных частот колебаний и соответственно несколько резонансных частот.

Если коэффициент затухания внутренних органов человека был бы не велик, то резонансные явления, возникшие в этих органах под воздействием внешних вибраций или звуковых волн, могли бы привести к трагическим последствиям: разрыву органов, повреждению связок и т.п. Однако такие явления при умеренных внешних воздействиях практически не наблюдаются, так как коэффициент затухания биологических систем достаточно велик. Тем не менее резонансные явления при действии внешних механических колебаний происходят во внутренних органах. В этом, видимо, одна из причин отрицательного воздействия инфразвуковых колебаний и вибраций на организм человека.

1.7.7. Автоколебания

Существуют и такие колебательные системы, которые сами регулируют периодическое восполнение растраченной энергии и поэтому могут колебаться длительное время.

Незатухающие колебания, существующие в какой-либо системе при отсутствии переменного внешнего воздействия, называются автоколебаниями , а сами системы – автоколебательными.

Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств в самой автоколебательной системе, в отличие от вынужденных колебаний они не определяются внешними воздействиями.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис. 1.7.8. Блок-схема автоколебаний

Во многих случаях автоколебательные системы можно представить тремя основными элементами (рис.1.7.8): 1) собственно колебательная система; 2) источник энергии; 3) регулятор поступления энергии в собственно колебательную систему. Колебательная система каналом обратной связи (рис. 6) воздействует на регулятор, информирую регулятор о состоянии этой системы.

Классическим примером механической автоколебательной системы являются часы, в которых маятник или баланс являются колебательной системой, пружина или поднятая гиря – источником энергии, а анкер – регулятором поступления энергии от источника в колебательную систему.

Многие биологические системы (сердце, легкие и др.) являются автоколебательными. Характерный пример электромагнитной автоколебательной системы – генераторы автоколебательных колебаний.

1.7.8. Сложение колебаний одного направления

Рассмотрим сложение двух гармонических колебаний одинакового направления и одинаковой частоты:

x 1 =a 1 cos(ω 0 t + α 1 ), x 2 =a 2 cos(ω 0 t + α 2 ).

Гармоническое колебание можно задать с помощью вектора, длина которого равна амплитуде колебаний, а направление образует с некоторой осью угол, равный начальной фазе колебаний. Если этот вектор вращается с угловой скоростью ω 0 , то его проекция на выбранную ось будет изменяться по гармоническому закону. Исходя из этого, выберем некоторую ось Х и представим колебания с помощью векторов а 1 и а 2 (рис.1.7.9).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис.1.7.9

Вектор а является суммой векторов а 1 и а 2 . Проекция вектора а на ось Х равна сумме проекций векторов а 1 и а 2 :

Следовательно, вектор а представляет собой результирующее колебание. Этот вектор вращается с той же угловой скоростью, что и векторы а 1 и а 2 . Таким образом, результирующее движение представляет собой гармоническое колебание с частотой ω 0 , амплитудой а и начальной фазой α. Используя теорему косинусов, находим значение амплитуды результирующего колебания:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.40)

Из рис.1.7.6 следует, что

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.

Схемы, в которых колебания изображаются графически в виде векторов на плоскости, называются векторными диаграммами.

Из формулы 1.7.40 следует. Что если разность фаз обоих колебаний равна нулю, амплитуда результирующего колебания равна сумме амплитуд складываемых колебаний. Если разность фаз складываемых колебаний равна Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, то амплитуда результирующего колебания равна Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Если частоты складываемых колебаний не одинаковы, то векторы, соответствующие этим колебаниям будут вращаться с разной скоростью. В этом случае результирующий вектор пульсирует по величине и вращается с непостоянной скоростью. Следовательно, в результате сложения получается не гармоническое колебание, а сложный колебательный процесс.

1.7.9. Биения

Рассмотрим сложение двух гармонических колебаний одинакового направления мало отличающихся по частоте. Пусть частота одного из них равна ω , а второго ω+∆ω, причем ∆ω 1 =a cos ωt, x 2 =a cos(ω+∆ω)t.

Сложив эти выражения и используя формулу для суммы косинусов, получаем:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.41)

(во втором множителе пренебрегаем членом Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениепо сравнению с ω). График функции (1.7.41) изображен на рис. 1.7.10.

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис.1.7.10

Колебания (1.7.41) можно рассматривать как гармоническое колебание частотой ω, амплитуда которого изменяется по закону Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Эта функция является периодической с частотой в два раза превышающей частоту выражения, стоящего под знаком модуля, т.е. с частотой ∆ω. Таким образом, частота пульсаций амплитуды, называемая частотой биений, равна разности частот складываемых колебаний.

1.7.10. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний (фигуры Лиссажу)

Если материальная точка совершает колебания как вдоль оси х, так и вдоль оси у, то она будет двигаться по некоторой криволинейной траектории. Пусть частота колебаний одинакова и начальная фаза первого колебания равна нулю, тогда уравнения колебаний запишем в виде:

х=а cos ωt, y=b cos(ωt+α),(1.7.42)

где α – разность фаз обоих колебаний.

Выражение (1.7.42) представляет заданное в параметрическом виде уравнение траектории, по которой движется точка, участвующая в обоих колебаниях. Если исключить из уравнений (1.7.42) параметр t, то получим уравнение траектории в обычном виде:

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.43)

Уравнение (1.7.43) представляет собой уравнение эллипса, оси которого ориентированы произвольно относительно координатных осей х и у. Ориентация эллипса и величина его полуосей зависят от амплитуд а и b и разности фаз α. Рассмотрим некоторые частные случаи:

α=mπ (m=0, ±1, ±2, …). В этом случае эллипс вырождается в отрезок прямой

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.44)

где знак плюс соответствует нулю и четным значениям m (рис 1.7.8.а), а знак минус – нечетным значениям m (рис.1.7.8.б). Результирующее колебание является гармоническим с частотой ω, амплитудой Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, совершающимся вдоль прямой (1.7.44), составляющей с осью х угол Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеДифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(рис.1.7.11).

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис.1.7.11.а

Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
Рис.1.7.11. б

  • α=(2m+1)Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

  • (m=0, ±1, ±2, …). В этом случае уравнение имеет вид

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат, а его полуоси равны амплитудам (рис. 1.7.12). Если амплитуды равны, то эллипс становится окружностью.

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис.1.7.12

    Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний отличаются на малую величину ∆ω, их можно рассматривать как колебания одинаковой частоты, но с медленно изменяющейся разностью фаз. В этом случае уравнения колебаний можно записать

    x=a cos ωt, y=b cos[ωt+(∆ωt+α)]

    и выражение ∆ωt+α рассматривать как разность фаз, медленно изменяющуюся со временем по линейному закону. Результирующее движение в этом случае происходит по медленно изменяющейся кривой, которая будет последовательно принимать форму, отвечающую всем значениям разности фаз от -π до+π.

    Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний не одинаковы, то траектория результирующего движения имеет вид довольно сложных кривых, называемых фигурами Лиссажу . Пусть, например, частоты складываемых колебаний относятся как 1 : 2 и разность фаз π/2. Тогда уравнения колебаний имеют вид

    x=a cos ωt, y=b cos[2ωt+π/2].

    За то время, пока вдоль оси х точка успевает переместиться из одного крайнего положения в другое, вдоль оси у, выйдя из нулевого положения, она успевает достигнуть одного крайнего положения, затем другого и вернуться. Вид кривой показан на рис. 1.7.13. Кривая при таком же соотношении частот, но разности фаз равной нулю показана на рис.1.7.14. Отношение частот складываемых колебаний обратно отношению числа точек пересечения фигур Лиссажу с прямыми, параллельными осям координат. Следовательно, по виду фигур Лиссажу можно определить соотношение частот складываемых колебаний или неизвестную частоту. Если одна из частот известна.

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис.1.7.13

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис.1.7.14

    Чем ближе к единице рациональная дробь, выражающая отношение частот колебаний, тем сложнее получающиеся фигуры Лиссажу.

    1.7.11. Распространение волн в упругой среде

    Если в каком-либо месте упругой (твёрдой жидкой или газообразной) среды возбудить колебания её частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью υ. процесс распространения колебаний в пространстве называется волной .

    Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия.

    В зависимости от направлений колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волн. Упругие поперечные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновения только продольных волн. В твёрдой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.

    На рис. 1.7.12 показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. Номерами 1,2 и т. д. обозначены частицы отстающие друг от друга на расстояние, равное (¼ υT), т.е. на расстояние, проходимое волной за четверть периода колебаний, совершаемых частицами. В момент, времени принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо, достигла частицы 1, вследствие чего частица начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть периода частица 1 достигает крайнего верхнего положения равновесия частица 2. По пришествие ещё четверти периода первая часть будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица достигнет крайнего верхнего положения, а третья частица начнёт смещаться вверх из положения равновесия. В момент времени равный T, первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как чальный момент. Волна к моменту времени T, пройдя путь (υT), достигнет частицы 5.

    На Рис. 1.7.13 показано движение частиц при распространении в среде продольной волны. Все рассуждения, касающиеся поведения частиц в поперечной волне, могут быть отнесены и к данному случаю с заменой смещений вверх и вниз смещениями вправо и влево.

    Из рисунка видно, что при распространении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разряжения частиц (места сгущения обведены на рисунке пунктиром), перемещающиеся в направлении распространения волны со скоростью υ.

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис. 1.7.15

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис. 1.7.16

    На рис. 1.7.15 и 1.7.16 показаны колебания частиц, положения, равновесия которых лежат на оси x. В действительности колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси x, а совокупность частиц, заключённых в некотором объёме. Распространяясь от источников колебаний, волновой процесс охватывает всё новые и новые части пространства, геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны (или волновым фронтом). Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания ещё не возникли.

    Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Следовательно, волновых поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт каждый момент времени только один. Волновые поверхности остаются не подвижными (они проходят через положения равновесия частиц, колеблющихся в одной фазе ). Волновой фронт всё время перемещается.

    Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой множество параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне – множество концентрических сфер.

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис. 1.7.17

    Пусть плоская волна распространяется вдоль оси x . Тогда все точки сферы, положения, равновесия которых имеет одинаковую координату x (но различие значения координат y и z), колеблются в одинаковой фазе.

    На Рис. 1.7.17 изображена кривая, которая даёт смещение ξ из положения равновесия точек с различными x в некоторый момент времени. Не следует воспринимать этот рисунок как зримое изображение волны. На рисунке показан график функций ξ ( x, t) для некоторого фиксированного момента времени t. Такой график можно строить как для продольной так и для поперечной волны.

    Расстояние λ, на короткое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны . Очевидно, что

    λ=υT(1.7.45 )

    где υ – скорость волны, T – период колебаний. Длину волны можно определить также как расстояние между ближайшими точками среды, колеблющимися с разностью фаз, равной 2π (см. рис. 1.7.14)

    Заменив в соотношении(1.7.45) T через 1/ν (ν – частота колебаний), получим

    λν=υ .(1.7.46)

    К этой формуле можно придти также из следующих соображений. За одну секунду источник волн совершает ν колебаний, порождая в среде при каждом колебании один «гребень» и одну «впадину» волны. К тому моменту, когда источник будет завершать ν — е колебание, первый «гребень» успеет пройти путь υ. Следовательно, ν «гребней» и «впадин» волны должны уложиться в длине υ.

    1.7.12. Уравнение плоской волны

    Уравнением волны называется выражение, которое дает смещение колеблющейся частицы как функцию ее координат x, y, z и времени t :

    (имеются в виду координаты равновесного положения частицы). Эта функция должна быть периодической относительно времени t , и относительно координат x, y, z. . Периодичность по времени вытекает из того, что точки, отстоящие друг от друга на расстоянии λ , колеблются одинаковым образом.

    Найдем вид функции ξ в случае плоской волны, предполагая, что колебания носят гармонический характер. Для упрощения направим оси координат так, чтобы ось x совпадала с направлением распространения волны. Тогда волновые поверхности будут перпендикулярными к оси x и, поскольку все точки волновой поверхности колеблются одинаково, смещение ξ будет зависеть только от x и t :

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение
    Рис.1.7.18

    Пусть колебания точек, лежащих в плоскости x = 0 (рис. 1.7.18), имеют вид

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей произвольному значению x . Для того, чтобы пройти путь от плоскости x =0 до этой плоскости, волне требуется время Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение( υ – cкорость распространения волны). Следовательно, колебания частиц, лежащих в плоскости x , будут отставать по времени на τ от колебаний частиц в плоскости x = 0 , т.е. будут иметь вид

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Итак, уравнение плоской волны (продольной, и поперечной), распространяющейся в направлении оси x , выглядит следующим образом:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.47)

    Величина а представляет собой амплитуду волны. Начальная фаза волны α определяется выбором начала отсчета x и t . При рассмотрении одной волны начало отсчета времени и координаты обычно выбирают так, чтобы α была равной нулю. При совместном рассмотрении нескольких волн сделать так, чтобы для всех них начальные фазы равнялись нулю, как правило, не удается.

    Зафиксируем какое – либо значение фазы, стоящей в уравнении (1.7.47), положив

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.48)

    Это выражение определяет связь между временем t и тем местом x , в котором фаза имеет зафиксированное значение. Вытекающее из него значение dx/dt дает скорость, с которой перемещается данное значение фазы. Продифференцировав выражение (1.7.48), получим

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.49)

    Таким образом, скорость распространения волны υ уравнении (1.7.47) есть скорость перемещения фазы, в связи с чем, ее называют фазовой скоростью.

    Согласно (1.7.49) dx/dt> 0, следовательно, уравнение (1.7.47) описывает волну, распространяющуюся в сторону возрастания x .

    Волна, распространяющаяся в противоположном направлении, описывается уравнением

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.50)

    Действительно, приравняв константе фазу волны (1.7.50) и продифференцировав получившееся равенство, придем к соотношению

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,

    из которого следует, что волна (1.7.50) распространяется в сторону убывания x .

    Уравнению плоской волны можно придать симметричный относительно x и t вид. Для этого введем величину

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение,(1.7.51)

    которая называется волновым числом. Умножив числитель и знаменатель последнего выражения на частоту ν, и вспомнив, что Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, можно представить волновое число в виде

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение.(1.7.52)

    Раскрыв в уравнении волны

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    круглые скобки и используя волновое число, придем к следующему уравнению плоской волны, распространяющейся вдоль оси :

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.53)

    Уравнение волны, распространяющейся в сторону убывания x :

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    При выводе формулы (1.7.53) мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от x . Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия волны не поглощается средой. При распространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны с удалением от источника колебаний постепенно уменьшается – наблюдается затухание волны. Опыт показывает, что в однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному закону:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Соответственно уравнение плоской волны, с учетом затухания , имеет следующий вид:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1.7.54)

    (a 0 – амплитуда в точках плоскости x = 0).

    © ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2013

    Видео:Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.Скачать

    Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.

    Свободные колебания пружинного маятника. Общие сведения

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Цель работы. Ознакомиться с основными характеристиками незатухающих и затухающих свободных механических колебаний.

    Задача. Определить период собственных колебаний пружинного маятника; проверить линейность зависимости квадрата периода от массы; определить жесткость пружины; определить период затухающих колебаний и логарифмический декремент затухания пружинного маятника.

    Приборы и принадлежности. Штатив со шкалой, пружина, набор грузов различной массы, сосуд с водой, секундомер.

    1. Свободные колебания пружинного маятника. Общие сведения

    Колебаниями называются процессы, в которых периодически изменяется одна или несколько физических величин, описывающих эти процессы. Колебания могут быть описаны различными периодическими функциями времени. Простейшими колебаниями являются гармонические колебания – такие колебания, при которых колеблющаяся величина (например, смещение груза на пружине) изменяется со временем по закону косинуса или синуса. Колебания, возникающие после действия на систему внешней кратковременной силы, называются свободными.

    Рассмотрим одну из простейших колебательных систем – пружинный маятник, представляющий собой груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине с коэффициентом жесткости k
    (рис. 1). Пусть l0 – длина пружины без подвешенного к ней груза. При подвешивании груза под действием силы тяжести пружина растянется на x1 так, что маятник будет находиться в положении равновесия вследствие равенства модулей силы тяжести mg и упругой силы Fупр: mg = kx1, стремящейся вернуть груз в положение равновесия (полагается, что деформации пружины идеально упругие и подчиняются закону Гука).

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеДифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Если груз вывести из положения равновесия, отклонив на величину x, то сила упругости возрастает: Fупр = – kx2= – k(x1 + x). Дойдя до положения равновесия, груз будет обладать отличной от нуля скоростью и пройдет положение равновесия по инерции. По мере дальнейшего движения будет увеличиваться отклонение от положения равновесия, что приведет к возрастанию силы упругости, и процесс повторится в обратном направлении. Таким образом, колебательное движение системы обусловлено двумя причинами: 1) стремлением тела вернуться в положении равновесия и 2) инерцией, не позволяющей телу мгновенно остановиться в положении равновесия. В отсутствии сил трения колебания продолжались бы сколь угодно долго. Наличие силы трения приводит к тому, что часть энергии колебаний переходит во внутреннюю энергию и колебания постепенно затухают. Такие колебания называются затухающими.

    Незатухающие свободные колебания

    Сначала рассмотрим колебания пружинного маятника, на который не действуют силы трения – незатухающие свободные колебания. Согласно второму закону Ньютона c учетом знаков проекций на ось X

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(1)

    Из условия равновесия смещение, вызываемое силой тяжести: Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Подставляя Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениев уравнение (1), получим: Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Разделив правую и левую часть этого уравнения на m и принимая, что a = d2x/dt2, получим дифференциальное уравнение

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (2)

    Это уравнение называется дифференциальным уравнением гармонических колебаний пружинного маятника. Из этого уравнения следует, что после прекращения внешнего воздействия, приводящего к первоначальному отклонению системы от положения равновесия, движение груза обусловлено только действием упругой силы (сила тяжести вызывает постоянное смещение).

    Общее решение однородного дифференциального уравнения второго порядка (2) имеет вид

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (3)

    Данное уравнение называется уравнением гармонических колебаний. Наибольшее отклонение груза от положения равновесия А0 называется амплитудой колебаний. Величина Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, стоящая в аргументе косинуса, называется фазой колебания. Постоянная φ0 представляет собой значение фазы в начальный момент времени (t = 0) и называется начальной фазой колебаний. Величина

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение(4)

    есть круговая или циклическая частота собственных колебаний, связанная с периодом колебаний Т соотношением Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Период колебаний определяется

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (5)

    Рассмотрим свободные колебания пружинного маятника при наличии силы трения (затухающие колебания). В простейшем и вместе с тем наиболее часто встречающемся случае сила трения пропорциональна скорости υ движения:

    где r – постоянная, называемая коэффициентом сопротивления. Знак минус показывает, что сила трения и скорость имеют противоположные направления. Уравнение второго закона Ньютона в проекции на ось Х при наличии упругой силы и силы трения

    Данное дифференциальное уравнение с учетом υ = dx/dt можно записать

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, (8)

    где Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениекоэффициент затухания; Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение– циклическая частота свободных незатухающих колебаний данной колебательной системы, т. е. при отсутствии потерь энергии (β = 0). Уравнение (8) называют дифференциальным уравнением затухающих колебаний.

    Чтобы получить зависимость смещения x от времени t, необходимо решить дифференциальное уравнение (8). В случае малых затуханий (Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение) решение уравнения можно записать следующим образом:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, (9)

    где А0 и φ0 – начальная амплитуда и начальная фаза колебаний;
    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение– циклическая частота затухающих колебаний при ω >> Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениеω ≈ ω0.

    Движение груза в этом случае можно рассматривать как гармоническое колебание с частотой ω и переменной амплитудой, меняющейся по закону:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (10)

    На графике функции (9), рис. 2, пунктирными линиями показано изменение амплитуды (10) затухающих колебаний.

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Рис. 2. Зависимость смещения х груза от времени t при наличии силы трения

    Для количественной характеристики степени затухания колебаний вводят величину, равную отношению амплитуд, отличающихся на период, и называемую декрементом затухания:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (11)

    Часто используют натуральный логарифм этой величины. Такой параметр называется логарифмическим декрементом затухания:

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (12)

    Если за время t амплитуда уменьшается в n раз, то из уравнения (10) следует, что

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (13)

    Отсюда для логарифмического декремента получаем выражение

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (14)

    Если за время t амплитуда уменьшается в е раз (е = 2,71 – основание натурального логарифма), то система успеет совершить число колебаний

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. (15)

    Следовательно, логарифмический декремент затухания – величина, обратная числу колебаний, совершаемых за то время, за которое амплитуда уменьшается в е раз. Чем больше θ, тем быстрее происходит затухание колебаний.

    2. Методика эксперимента и экспериментальная установка

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение

    Рис. 3. Схема установки

    Установка состоит из штатива 1 с измерительной шкалой 2. К штативу на пружине 3 подвешиваются грузы 4 различной массы. При изучении затухающих колебаний в задании 2 для усиления затухания используется кольцо 5, которое помещается в прозрачный сосуд 6 с водой.

    В задании 1 (выполняется без сосуда с водой и кольца) в первом приближении затуханием колебаний можно пренебречь и считать гармоническими. Как следует из формулы (5) для гармонических колебаний зависимость T 2 = f (m) – линейная, из которой можно определить коэффициент жесткости пружины k по формуле

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, (16)

    где Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение– угловой коэффициент наклона прямой T 2 от m.

    Задание 1. Определение зависимости периода собственных колебаний пружинного маятника от массы груза.

    1. Определить период колебаний пружинного маятника при различных значениях массы груза m. Для этого с помощью секундомера для каждого значения m трижды измерить время t полных n колебаний (n ≥10) и по среднему значению времени Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решениевычислить период Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение. Результаты занести в табл. 1.

    2. По результатам измерений построить график зависимости квадрата периода T2 от массы m. Из углового коэффициента графика определить жесткость пружины k по формуле (16).

    Результаты измерений для определения периода собственных колебаний

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, с

    Дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника и его решение, с

    📸 Видео

    Механика. Л 10.1. Колебания. Вывод дифференциального уравнения пружинного маятникаСкачать

    Механика. Л 10.1. Колебания. Вывод дифференциального уравнения пружинного маятника

    Урок 93 (осн). Исследование пружинного маятникаСкачать

    Урок 93 (осн). Исследование пружинного маятника

    5.4 Уравнение гармонических колебанийСкачать

    5.4 Уравнение гармонических колебаний

    Теормех. 2021-окт-18. Группа ПМФ. Двойной маятникСкачать

    Теормех. 2021-окт-18. Группа ПМФ. Двойной маятник

    Видеоурок по физике "Математический и пружинный маятники"Скачать

    Видеоурок по физике "Математический и пружинный маятники"

    Урок 327. Гармонические колебанияСкачать

    Урок 327. Гармонические колебания

    Честный вывод уравнения колебанийСкачать

    Честный вывод уравнения колебаний

    Урок 92 (осн). Колебательное движение. МаятникиСкачать

    Урок 92 (осн). Колебательное движение. Маятники

    9. Колебания физического маятникаСкачать

    9.  Колебания физического маятника

    Дифференциальные уравнения для самых маленькихСкачать

    Дифференциальные уравнения для самых маленьких

    Урок 343. Затухающие колебания (часть 1)Скачать

    Урок 343. Затухающие колебания (часть 1)

    Лекция №11 "Колебания" (Булыгин В.С.)Скачать

    Лекция №11 "Колебания" (Булыгин В.С.)

    Якута А. А. - Механика - Гармонические колебания. Собственные затухающие колебанияСкачать

    Якута А. А. - Механика - Гармонические колебания. Собственные затухающие колебания

    Консультация к устному экзамену. Механика. Часть 6: "Колебания"Скачать

    Консультация к устному экзамену. Механика. Часть 6: "Колебания"

    66. Простейшие колебательные системыСкачать

    66. Простейшие колебательные системы
    Поделиться или сохранить к себе: