Глава 3. Механические колебания

Вопросы

Колебательное движение. Классификация колебательных движений.

Гармонические колебания, основные характеристики гармонического колебания.

Сравнительная характеристика различных видов колебаний. Дифференциальные уравнения колебаний и их решения.

Колебательные процессы в живом организме и некоторые методы их исследования.

Содержание темы

Колебательное движение

Колебаниями называются периодически повторяющиеся движения или изменения состояния. Это могут быть физические процессы любой природы: механической, тепловой, электрической и т. п., а также периодические изменения характеризующих их величин. Любые колебания представляют собой движение с переменным ускорением. Колебания возникают в тех случаях, когда системе, способной совершать колебания, сообщается энергия. В организме человека к колебательным процессам относятся работа легких, сердца, системы кровообращения. Поэтому для правильного понимания механизмов функционирования таких органов и систем необходимо изучить основные законы, определяющие ход этих процессов.

Классификация колебаний:

По своей природе колебания бывают механические и электромагнитные, по характеру колебания - незатухающие и затухающие, по виду колеблющейся системы (с учетом сил, действующих в системе) – свободные, автоколебания и вынужденные колебания.

Незатухающими называются колебания, которые происходят с постоянной амплитудой. Это возможно в случаях, если в системе не происходят потери энергии, т.е. полная энергия системы с течением времени не изменяется (идеальная система – собственные колебания), либо происходит периодическое пополнение энергии реальной системы (при периодическом внешнем воздействии – вынужденные колебания, при периодическом пополнении энергии внутри самой системы – автоколебания).

Затухающие колебания происходят с убывающей амплитудой. Без пополнения энергии любые колебания затухают. Сравнительная характеристика различных видов колебаний приведена в таблице.

Таблица 3.1

Характер колебания	Вид системы	Сила трения	Внешняя периодическая сила	Амплитуда колебаний	Полная энергия системы
Свободные незатухающие (собственные)	изолиро-ванная, идеальная	нет	не действует	не изменя-ется со временем	не изменя-тся со временем
Свободные затухающие	Изолиро-ванная, реальная	есть	не действует	убывает	убывает
Вынужденные незатухающие	открытая, реальная	есть	действует	не изменя-ется со временем	не изменя-ется со временем

 

Гармонические колебания

Г армоническими называются колебания, при которых изменения колеблющейся величины со временем происходят по закону синуса или косинуса. Гармонические колебания происходят под действием возвращающей силы F_{возв .}, прямо пропорциональной смещению тела x и направленной к положению равновесия.

F_возв. = -k×x (3.1)

Возвращающая сила подобна упругой, т.к. пропорциональна смещению и направлена к положению равновесия. Такие силы, неупругие по природе, но аналогичные по свойствам силам, возникающим при малых деформациях упругих тел, называются квазиупругими.

Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

(3.2)

Данное уравнение является решением дифференциального уравнения для собственных колебаний, о котором будет сказано позже.

Основные кинематические характеристики гармонического колебания:

Смещение x характеризует отклонение от положения равновесия в данный момент времени.

Амплитуда A – максимальное смещение A= | x_max |

Смещение и амплитуда в системе СИ измеряются в метрах. [ A ]=[ x ]=м

Период T – время одного полного колебания.

T=t/n (3.3),

где t – время, за которое совершено n колебаний.

Единица измерения периода колебаний – секунда, [ T ]=c

Для математического маятника (материальная точка массой m, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити длиной l) период может быть найден из формулы:

(3.4)

При малых отклонениях от положения равновесия в поле силы тяжести эта система будет совершать (без учета сил сопротивления среды) свободные незатухающие колебания.

Для пружинного маятника (материальная точка массой m, закрепленная на пружине с жесткостью k) период выражается формулой:

(3.5)

Частота колебаний n показывает число колебаний за единицу времени; является величиной, обратной периоду.

n=n/t; n=1/T (3.6)

Частота колебаний измеряется в герцах.[n]=Гц=с^-1

Циклическая (круговая частота) w₀ показывает число колебаний за 2 p сек.

w₀=2p n f=2p /T (3.7)

Скорость V материальной точки, совершающей гармонические колебания, можно получить, дифференцируя выражение для координаты x по времени t:

(3.8)

Ускорение материальной точки при гармонических колебаниях можно получить, дифференцируя выражение для скорости по времени:

(3.9)

Фаза колебания j характеризует положение колеблющейся системы в любой момент времени, начальная фаза j₀ – в начальный момент времени. С помощью начальной фазы учитывается различие между моментом начала отсчета времени (t =0) и моментом начала колебаний (x =0), если они не совпадают.

j=j₀+w₀ ×× t (3.10)

Зная фазу колебаний, можно определить, какая доля периода прошла от начала колебаний. Так фазе j=p /2 соответствует момент времени t=T /4; фазе j=p соответствует момент времени t=T /2.

Фаза колебаний представляет собой аргумент тригонометрической функции и, следовательно, измеряется в радианах.

Основные энергетические характеристики гармонического колебания.

Используя полученное выражение для скорости, можно записать формулу для кинетической энергии материальной точки, совершающей гармонические колебания:

(3.11)

Формула для потенциальной энергии упругой деформации имеет вид: (3.12).

Подставив в данную формулу выражение для координаты x, можно вычислить потенциальную энергию колебательного движения:

(3.13)

Полная энергия колеблющейся материальной точки равна сумме кинетической и потенциальной энергий:

(3.14)

В процессе колебаний потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и наоборот. При этом полная энергия для незатухающих колебаний остается постоянной. Процесс перехода энергии из одного вида в другой носит периодический характер. В случае, когда присутствуют силы сопротивления среды, кинетическая энергия колеблющейся системы затрачивается на их преодоление, вследствие чего величина полной энергии постепенно уменьшается (случай затухающих колебаний).