Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Видео:Честный вывод уравнения колебанийСкачать

Честный вывод уравнения колебаний

Вывод дифференциального уравнения свободного колебания

На тело, совершающее свободные колебания, действуют две силы:

1. Сила, определяемая по второму закону Ньютона:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где m – масса тела;

а – ускорение;

х – смещение;

t – время.

2. Сила упругости, выраженная по закону Гука:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где k – коэффициент упругости. Знак минус показывает, что сила упругости Fупр всегда направлена в сторону положения равновесия.

На основании второго закона Ньютона (произведение массы тела на его ускорение равно сумме всех действующих сил) получаем:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Перенесем –kx в левую часть равенства, получим:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Введем замену: Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний,

где ω0 – круговая (циклическая) частота колебаний (ω0=2πν)

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Получили дифференциальное уравнение второго порядка относительно смещения х.

Решением этого уравнения будет:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

или (см. рис.1 и рис. 2).

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний,

где А – амплитуда колебания;

φ0 – начальная фаза;

ω0t+φ0 – фаза колебания в момент времени t;

ω0t= ∆φ – изменение фазы колебания за время t.

Выведем уравнения мгновенной скорости и мгновенного ускорения, если колебания совершаются по закону косинуса.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийВывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Затухающие колебания.

Все реальные гармонические колебания происходят при воздействии сил сопротивления, на преодоление которых тело затрачивает часть своей энергии, в результате амплитуда колебания уменьшается со временем, т.е. колебания носят затухающий характер.

Представим график затухающего колебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающего колебания.На тело, кроме силы Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийсилы упругости Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийдействует сила сопротивления:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где r – коэффициент сопротивления.

Согласно второму закону Ньютона можно записать:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Разделим на массу m, получим:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Введем обозначения: Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний,

где β – коэффициент затухания.

Получили дифференциальное уравнение затухающего колебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Решение уравнения существенно зависит от знака разности Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний,

где ω— круговая частота затухающих колебаний, ω0 — круговая частота собственных колебаний системы (без затухания).

При ω>0 решение дифференциального уравнения будет следующим:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Амплитуда затухающего колебания в любой момент времени t определяется равенством:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний,

где А0 – начальная амплитуда, указанная на графике (см. рис 3).

Период Т затухающих колебаний определяется по формуле:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Скорость затухания (быстрота уменьшения амплитуды) определяется величиной коэффициента затухания β: чем больше β, тем быстрее уменьшается амплитуда.

Для характеристики скорости затухания ввели понятие декремента затухания.

Декрементом затухания называется отношение двух соседних амплитуд, разделенных периодом: Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

На практике степень затухания характеризуется логарифмическим декрементомзатухания λ, равным:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Выведем формулу, связывающую логарифмический декремент затухания λ с коэффициентом затухания β и периодом колебания Т.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Выведем размерность коэффициента затухания

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Вынужденные колебания. Вынужденными колебанияминазываются колебания, возникающие в системе при воздействии на неё внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.

Пусть на систему действует сила:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где F0 – максимальное значение,

ω — круговая частота колебаний внешней силы.

На систему действуют сила Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийсила сопротивления Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийи сила упругости Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

С учетом всех четырех сил на основании второго закона Ньютона запишем:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Разделим обе части равенства на m, получим:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийВывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Получили дифференциальное уравнение вынужденного колебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Представим график вынужденных колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

В начале амплитуда колебаний возрастает, а затем становится постоянной А.

Для установившихся вынужденных колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(см. рис. 4)

Резонанс.Если ω0 и β для системы заданы, то амплитуда А вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной. Достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний для заданных ω0 и β называется резонансом.

Резонансная круговая частота определяется формулой:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

а резонансная амплитуда:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Если отсутствует сопротивление (β=0), то амплитуда неограниченно возрастает.

Представим на графиках зависимость амплитуды вынужденных колебаний от круговой частоты вынуждающей силы ω при различных значениях коэффициента затухания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

По виду резонансной кривой резонанс может быть острым при β→0, тупым – при β→1. (см. рис. 5).

По механизму возбуждения резонанс классифицируется на:

— механический; акустический; электромагнитный; парамагнитный; ядерномагнитный.

Возникновение резонансных явлений в организме может быть как полезным, так и вредным. Например, на акустическом резонансе основано восприятия звука, инфразвук может вызвать разрыв тканей внутренних органов.

Автоколебания.При затухающих колебаниях энергия системы расходуется на преодоление сопротивления среды. Если восполнять эту потерю энергии, то колебания станут незатухающими. Пополнять эту потерянную системой энергию можно за счет источника энергии извне, а можно сделать так, чтобы колеблющаяся система сама бы управляла внешним воздействием.

Незатухающие колебания, возникающие в системе за счет источника энергии, не обладающего колебательными свойствами, называются автоколебаниями, а сами системы – автоколебательными.

Классическим примером автоколебаний являются часы: заведенная пружина; поднятая гиря – источник энергии; анкер – регулятор поступления энергии от источника; маятник или баланс – колебательная система.

Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы.

Автоколебания осуществляется по следующей схеме:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Через канал обратной связи регулятор, получив информацию о состоянии колебательной системы, осуществляет регулирующую подачи энергии от источника к системе.

К автоколебательным системам относятся сердце, легкие и т.д.

Автоколебательная система сердца может быть представлена в следующем виде:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Порядок выполнения работы:

  1. Включить кимограф, записать положение равновесия.
  2. Отклонив маятник в сторону, отпустить его, одновременно включив секундомер.
  3. После записи последнего n-го колебания отключить секундомер.
  4. После последнего колебания зарегистрировать положение равновесия и отключить кимограф.
  5. Записать графики 3-го – 5-го колебательных процессов.
  6. С помощью линейки для каждого графика определить величину начальной амплитуды (А0) и последней амплитуды (Аn).
  7. Подсчитать число полных колебаний на графике (n).
  8. Определить период колебания T:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийгде t – время по секундомеру.

  1. Определить величину коэффициента затухания по формуле:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

  1. Определить величину логарифмического декремента затухания: Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.
  2. Полученные данные занести в таблицу.
п/пА0 (см)Аn (см)nt(c)T(c)β(c -1 )λ

Контрольные вопросы

  1. Определения и единицы измерения основных характеристик колебательного движения.
  2. Гармонические колебания. Вывод дифференциального уравнения гармонического колебания и его решение.
  3. Затухающие колебания. Вывод дифференциального уравнения затухающего колебания и его решение.
  4. Декремент затухания, логарифмический декремент затухания. Вывод формулы, связывающей логарифмический декремент с периодом колебания и коэффициентом затухания.
  5. Вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение вынужденного колебания и его решение.
  6. Резонанс и его значение в медицине.
  7. Автоколебания.

Тестовые задания

  1. Циклической (круговой) частотой называется число полных колебаний за:

а) 1 с; б) 1 мин; в) 1 ч; г) 2π с.

  1. Укажите формулу, связывающую циклическую частоту ω с частотой ν:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

  1. Укажите формулу, по которой определяется амплитуда затухающего колебания в любой момент времени t:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

  1. Декрементом затухания называется отношение:

а) двух соседних амплитуд;

б) двух соседних амплитуд, разделенных периодом;

в) первой и последней амплитуд;

г) двух амплитуд, разделенных полупериодом.

  1. Укажите единицу измерения коэффициента затухания β:

б) безразмерная величина; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

6. Укажите решение дифференциального уравнения свободного гармонического колебания:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

7. Укажите, сколько сил действует на систему, если она совершает свободные гармонические колебания:

8. Укажите дифференциальное уравнение свободного гармонического колебания:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

9. Укажите решение дифференциального уравнения затухающего колебания:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

10. Сколько полных колебаний тело должно совершить в одну минуту, чтобы частота его колебаний равнялась 1 Гц:

11. Укажите подстановку в уравнение смещения затухающего колебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

12. Укажите, сколько сил действует на систему, если она совершает вынужденные колебания:

13. Укажите дифференциальное уравнение вынужденного колебания:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

14. Укажите блок – схему, по которой осуществляются автоколебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

15. Укажите формулу, связывающую логарифмический декремент затухания λ с периодом колебания Т и коэффициентом затухания β:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

16. Укажите дифференциальное уравнение затухающего колебания:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

17. Укажите, по какой формуле определяется период колебания Т, если за время t тело совершило n полных колебаний:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

18. Укажите единицу измерения логарифмического декремента затухания:

б) с 2 ; г) безразмерная величина.

19. Укажите, какой параметр в уравнении смещения Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийуказывает на то, что процесс носит затухающий характер:

20. Укажите, какая сила вызывает уменьшение амплитуды при затухающих колебаниях:

а) ускоряющая сила;

б) сила упругости;

в) сила сопротивления;

г) сила давления.

21. Укажите, при каком значении декремента затухания процесс затухания будет проходить наиболее медленно:

а) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; в) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний;

б) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний; г) Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний22. Укажите, на каком из графиков показан период колебания Т:

23. Укажите график вынужденного колебания:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

24. Укажите, каков физический смысл знака «-» в формуле закона Гука Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

а) физический смысл отсутствует;

б) показывает, что направления силы упругости Fупр и смещения х совпадают;

в) показывает, что направления силы упругости Fупр и смещения х противоположны;

г) показывает, что направления силы упругости Fупр и смещения х взаимно перпендикулярны.

25. Частотой колебания ν называется величина, показывающая число полных колебаний:

а) за минуту; в) за час;

б) за секунду; г) за сутки.

26. Укажите, в каких единицах измеряется циклическая частота ω:

а) в секундах; в) в минутах;

б) в Гц ; г) в часах.

27. Укажите условие резонанса при β=0:

Видео:70. Затухающие колебанияСкачать

70. Затухающие колебания

Дифференциальное уравнение затухающих колебаний

Во всякой реальной колебательной системе имеются силы сопротивления, действие которых приводит к уменьшению энергии системы. В наиболее часто встречающемся случае сила сопротивления F пропорциональна величине скорости.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.1)

гдеr коэффициент сопротивления среды. Знак минус обусловлен тем, что сила трения и скорость имеют противоположные направления.

При наличии сил сопротивления второй закон Ньютона, имеет вид:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.2)

Применив обозначения: Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, и Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийполучим дифференциальное уравнение затухающих колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.3)

где δ коэффициент затухания, он определяет, как быстро амплитуда колебаний уменьшается до нуля, ω0 собственная частота колебаний – частота, с которой совершались бы свободные колебания системы при отсутствии сопротивления среды.

Свободные затухающие колебания – колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени из-за потерь энергии реальной колебательной системы.

Решением уравнения (20.3) является выражение

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.4)

ωциклическая частота затухающих колебаний, которая связана с собственной частотой соотношением

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.5)

При подстановке значения коэффициента затухания в формулу (20.5) получим

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.6)

Из уравнения (20.3) видно, что амплитуда А изменяется по экспоненциальному закону:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.7)

где А0 начальная амплитуда,А амплитуда затухающих колебаний.

Зависимость (20.4).показана на рис.20.1 сплошной линией. А пунктирными линиями показаны пределы, в которых находятся смещения колебаний точки х. или функция изменения амплитуды описанная уравнением (20.7).

Промежуток времени t= 1/d в течение, которого амплитуда затухающих колебаний уменьшается в ераз, называется – временем релаксации.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний
Рис.20.1

Затухающие колебания не являются периодическими, и строго говоря, к ним не применимо понятие периода или частоты. Однако, при малых затуханиях можно условно пользоваться понятием периода как промежутка времени между двумя последующими максимумами колеблющейся физической величины, тогда период затухающих колебаний с учетом формулы (20.6) определяется как:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.8)

Если амплитуды двух последовательных колебаний A(t) и A(t+T) отличаются на период, то их отношение называется декрементом затухания.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(20.9)

логарифм данного выражения называется – логарифмическим декрементом затухания θ

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.10)

Ne-число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз.

Для данной колебательной системы логарифмический декремент затухания величина постоянная.

Для характеристики колебательной системы пользуются понятием добротности Q, которая при малых значениях логарифмического декремента равна:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.11)

Из формулы (20.12) следует, что добротность пропорциональна числу колебаний Ne совершаемых системой за время релаксации.

Например, добротность пружинного маятника

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.12)

При увеличении коэффициента затухания период затухающих колебаний растет и при δ = ω0 превращается в бесконечность, т.е. движение перестает быть периодическим. Колеблющаяся величина стремится к нулю, процесс не будет колебательным. Такой процесс называется апериодическим.

При условии Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(т.е. выполняется соотношение ω0

δ) колебательная система приходит в состояние равновесия за самое короткое время. Такое явление называется демпфированием. Примерами систем, в которых демпфирование оказывается полезным, являются устройства для закрывания дверей и амортизаторы автомобилей. Обычно их конструируют таким образом, чтобы затухание было критическим (демпфированным). Однако по мере износа этих устройств демпфирование ослабляется, двери начинают хлопать, автомобиль раскачивается, наезжая на неровности дороги. Явление демпфирования применяется при проектировке инерциальных ремней безопасности – в автомобилях. Эта идея также может быть внедрена в виде поясов безопасности для выполнения наружных высотных, ремонтных и строительных работ (т.к. в настоящее время возникает потребность внедрения новой строительной специальности – городской альпинизм).

За последнее десятилетие произошел сдвиг в отношении проектировщиков к учету взаимодействия сооружений с грунтовыми основаниями. Практически во всех проектах в той или иной форме принимается во внимание податливость основания.

Наиболее распространенный подход к моделированию взаимодействия сооружений с грунтом — “платформенная модель”. Суть его состоит в том, что сейсмическое воздействие подается на жесткую платформу, на которой с помощью определенного подвеса закреплена модель сооружения. Обычно этот подвес включает в себя распределенные пружины и демпферы. Преимущество “платформенной модели”- возможность проведения ее расчета с помощью тех же программ, что и расчета сооружения на жестком основании.

Для сооружений на жестких фундаментах поверхностного заложения и для вертикально распространяющихся сейсмических волн в горизонтально-слоистой среде такая модель является точной при том дополнительном условии, что жесткостные и демпфирующие свойства (способность к затуханию вынужденных колебаний) подвеса точно моделируют динамические характеристики штампа на грунтовом основании. Считается, что для основания в виде однородного полупространства динамические характеристики (жесткости) с достаточной точностью могут быть представлены пружинами, а демпфирующие — вязкими демпферами.

В общем случае свойства пружин и демпферов, моделирующих динамические жесткости основания в виде жесткого штампа с линейными свойствами как функции частоты. Однако пока в большинстве расчетов за основу берется статическая жесткость штампа (иногда она определяется достаточно изощренными методами), а демпфирование учитывается либо заданием модальных коэффициентов на уровне примерно 5 %, либо постановкой так называемых “акустических” не отражающих границ (распределенных демпферов).

Существует много способов искусственного введения трения в систему. Это может быть осуществлено, например, электрическим способом, однако возможны и чисто механические методы демпфирования. Вот некоторые из них:

1. Вязкое трение в жидкости. Простым примером является гидравлический демпфер, который состоит из поршня, перемещающегося в цилиндре; трение возникает при перетекании жидкости (часто вместо жидкости используется воздух) в тонком зазоре между поршнем и стенкой цилиндра. В некоторых других устройствах используются лопасти, движущиеся в масле или силиконовой жидкости.

2. Материалы с высоким уровнем рассеяния энергии. При ударе по «колоколу», изготовленному из специального сплава меди и марганца, вместо звона слышится глухой стук. В амортизирующих опорах часто используют резину; это отчасти связано с ее высокими демпфирующими характеристиками. Лопатки компрессоров газовых турбин иногда изготавливают из волокнистых полимерных материалов, обладающих значительным внутренним трением.

3. Демпфирующие покрытия панелей. Существуют такие вещества, что если нанести их на поверхность металлической панели, то при ударе по панели вместо характерного для металлов звука слышен глухой стук.

4. Сухое трение, возникающее при взаимном скольжении поверхностей в процессе вибрации. Этот способ используется, например, в некоторых компрессорах газовых турбин, где осуществлено шарнирное крепление лопаток к ротору. Кроме того, в некоторые пружины с целью демпфирования вставляются пучки металлической проволока.

5. Слоистые конструкции. Панели, состоящие из тонких металлических листов, разделенных тонким слоем вязкоупругого материала, обладают хорошими звукоизолирующими свойствами.

6. Пенопластовые или резиновые прокладки. Яйцо или электрическую лампочку, тщательно упакованные в подходящий материал, можно без всякого риска бросать с большой высоты на твердый пол.

Вынужденные колебания

Вынужденными называются такие колебания, которые возникают в колебательной системе под действием внешней периодически изменяющейся силы с циклической частотой ω

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.13)

В данном случае с учетом силы (20.13) уравнение движения (20.2) будет иметь вид:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.14)

После деления на m и преобразования (20.3) получим неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.15)

где ω – частоты вынуждающей силы.

Решение такого неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения. Общее решение записывается в виде:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.16)

где Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний.

Частное решение имеет вид:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.17)

где А— амплитуда вынужденных колебаний.

Для определения амплитуды вынужденных колебаний А и сдвига фазы φ в уравнение (20.15) подставим значения первой и второй производной уравнения (20.17). Для начала продифференцируем:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(20.18)

Подставляя (20.18) в (20.16) и после некоторых математических преобразований, и применяя метод векторных диаграмм, получим значение амплитуды вынужденного колебания А и сдвига фазы φ:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний, (20.19)

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.20)

Из уравнения (20.19) видно, что амплитуда вынужденных колебания зависит от амплитуды вынуждающей силы. Подставим значения А и φ из уравнений (20.19) и (20.20) в уравнение (20.17) и запишем частное решение неоднородного уравнения для вынужденных электромагнитных колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. (20.21)

График вынужденных колебаний представлен на рис.20.2. Решение неоднородного дифференциального уравнения второго порядка (20.15) состоит из двух слагаемых. Слагаемое общего решения (20.16) играет заметную роль только в начальной стадии процесса при установлении колебаний. В дальнейшем этим слагаемым можно пренебречь т.к. оно содержит член е — d t . Т.о. вынужденные колебания описываются функцией гармонических колебаний (20.21) с частотой равной частоте ω вынуждающей силы F. Для данной колебательной системы с известной частотой и коэффициентом затухания амплитуда вынужденных колебаний (20.19) зависит от амплитуды и частоты вынуждающей силы.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний
Рис.20.2.

Одним из видов вынужденных колебаний являются вибрации, которые сопровождают нас повсюду и в большинстве случаев эти вибрации являются нежелательными. В первую очередь можно назвать вибрации и колебания авто и железнодорожного транспорта, моторов и станков, нефтяных и газовых платформ, зданий и сооружений в зоне повышенной сейсмической опасности. Во всех случаях стоит задача изоляции от источника вибраций. Несмотря на все конструкционные различия суть системы вибраций одинакова. Пассивная система состоит из пружины и демпфера. Пружина призвана смягчить вибрации и толчки, а демпфер погасить возникшие в системе колебания. Активная система использует также дополнительную пару, состоящую из акселерометра и электромагнитного привода, что позволяет достигнуть исключительную высокую степень виброизоляции.

Видео:Урок 343. Затухающие колебания (часть 1)Скачать

Урок 343. Затухающие колебания (часть 1)

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

§6 Затухающие колебания

Декремент затухания. Логарифмический декремент затухания.

Добротность

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

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где r — коэффициент сопротивления среды. Знак минус показывает, что FC направлена в сторону противоположную скорости.

Запишем уравнение колебаний в точке, колеблющийся в среде, коэффициент сопротивлений которой r . По второму закону Ньютона

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где β — коэффициент затухания. Этот коэффициент характеризует скорость затухания колебаний, При наличии сил сопротивления энергия колеблющейся системы будет постепенно убывать, колебания будут затухать.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

— дифференциальное уравнение затухающих колебаний.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

— у равнение затухающих колебаний.

ω – частота затухающих колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Период затухающих колебаний:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийЗатухающие колебания при строгом рассмотрении не являются периодическими. Поэтому о периоде затухаюших колебаний можно гово­рить, когда β мало.

Если затухания выражены слабо (β→0), то Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний. Затухающие колебания можно

рассматривать как гармонические колебания, амплитуда которых меняется по экспоненциальному закону

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

В уравнении (1) А0 и φ0 — произвольные константы, зависящие от выбора момента времени, начиная е которого мы рассматриваем колебания

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Рассмотрим колебание в течение, некоторого времени τ, за которое амплитуда уменьшится в е раз

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

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:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Логарифмический декремент затухания равен логарифму D :

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Логарифмический декремент затухания обратно пропорционален числу колебаний, в результате которых амплитуда колебаний умень­шилась в е раз. Логарифмический декремент затухания — постоянная для данной системы величина.

Еще одной характеристикой колебательной система является добротность Q .

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Добротность пропорциональна числу колебаний, совершаемых системой, за время релаксации τ.

Добротность Q колебательной системы является мерой относительной диссипации (рассеивания) энергии.

Добротность Q колебательной системы называется число, показывающее во сколько раз сила упругости больше силы сопротивления.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Чем больше добротность, тем медленнее происходит затухание, тем затухающие колебания ближе к свободным гармоническим.

§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.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Запишем выражение для уравнения движения материальной точки, совершающей гармоническое колебательное движение под действием вынуждающей силы.

По второму закону Ньютона:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(1)

— дифференциальное уравнение вынуж­денных колебаний.

Это дифференциальное уравнение является линейным неоднородным.

Его решение равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Найдем частное решение неоднородного уравнения. Для этого перепишем уравнение (1) в следующем виде:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(2)

Частное решение этого уравнения будем искать в виде:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

т.к. выполняется для любого t , то должно выполняться равенство γ = ω , следовательно,

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Это комплексное число удобно представить в виде

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

где А определяется по формуле (3 ниже), а φ — по формуле (4), следовательно, решение (2),в комплексной форме имеет вид

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Его вещественная часть, являвшаяся решением уравнения (1) равна:

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(3)

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний(4)

Слагаемое Хо.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 механи­ческой системы, называется резонансом.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебанийЧастота ω вынуждающей силы, при которой наблюдается резонанс, называется резонансной. Для того чтобы найти значение ωрез, необходимо найти условие максимума амплитуды. Для этого нужно определить условие минимума знаменателя в (3) (т.е. исследовать (3) на экстремум).

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

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

При ω→0 все кривые приходят к значению Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний— статическое отклонение.

Вывод дифференциального уравнения затухающих колебаний

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.

🔍 Видео

71. Вынужденные колебанияСкачать

71. Вынужденные колебания

Затухающие колебания Лекция 11-1Скачать

Затухающие колебания Лекция 11-1

ЧК_МИФ ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙСкачать

ЧК_МИФ    ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Затухающие колебания. Вынужденные колебания | Физика 9 класс #26 | ИнфоурокСкачать

Затухающие колебания. Вынужденные колебания | Физика 9 класс #26 | Инфоурок

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.Скачать

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.

Урок 344. Затухающие колебания (часть 2)Скачать

Урок 344. Затухающие колебания (часть 2)

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ период колебаний частота колебанийСкачать

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ период колебаний частота колебаний

Затухающие колебанияСкачать

Затухающие колебания

Свободные колебания и дифференциальное уравнениеСкачать

Свободные колебания и дифференциальное уравнение

Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Физика 11 классСкачать

Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Физика 11 класс

Затухающие колебания, Киевнаучфильм, 1978Скачать

Затухающие колебания, Киевнаучфильм, 1978

5.4 Уравнение гармонических колебанийСкачать

5.4 Уравнение гармонических колебаний

ЧК_МИФ_3_3_8_1 _(L2)___ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙСкачать

ЧК_МИФ_3_3_8_1 _(L2)___ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Вынужденные колебания и дифференциальное уравнениеСкачать

Вынужденные колебания и дифференциальное уравнение
Поделиться или сохранить к себе: