Вывод дифференциального уравнения свободного колебания

На тело, совершающее свободные колебания, действуют две силы:

1. Сила, определяемая по второму закону Ньютона:

где m – масса тела;

а – ускорение;

х – смещение;

t – время.

2. Сила упругости, выраженная по закону Гука:

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

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

Перенесем –kx в левую часть равенства, получим:

Тогда:

Введем замену: ,

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

Получили дифференциальное уравнение второго порядка относительно смещения х.

Решением этого уравнения будет:

или (см. рис.1 и рис. 2).

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.

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 затухающего колебания. На тело, кроме силы силы упругости действует сила сопротивления:

где r – коэффициент сопротивления.

Согласно второму закону Ньютона можно записать:

или

Разделим на массу m, получим:

Введем обозначения: ,

где β – коэффициент затухания.

Получили дифференциальное уравнение затухающего колебания:

Решение уравнения существенно зависит от знака разности ,

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

При ω>0 решение дифференциального уравнения будет следующим:

Амплитуда затухающего колебания в любой момент времени t определяется равенством:

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

Период Т затухающих колебаний определяется по формуле:

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:

На практике степень затухания характеризуется логарифмическим декрементом затухания λ, равным:

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

Следовательно:

Выведем размерность коэффициента затухания

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

Пусть на систему действует сила:

где F₀ – максимальное значение,

ω - круговая частота колебаний внешней силы.

На систему действуют сила сила сопротивления и сила упругости .

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

или

Разделим обе части равенства на m, получим:

Введем обозначения:

Получили дифференциальное уравнение вынужденного колебания:

Представим график вынужденных колебаний:

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

Для установившихся вынужденных колебаний:

где

(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:

а резонансная амплитуда:

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:

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:

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:

Порядок выполнения работы:

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

где t – время по секундомеру.

Определить величину коэффициента затухания по формуле:

Определить величину логарифмического декремента затухания: .
Полученные данные занести в таблицу.

п/п	А₀ (см)	А_n (см)	n	t(c)	T(c)	β(c^-1)	λ

Контрольные вопросы

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

Тестовые задания

Циклической (круговой) частотой называется число полных колебаний за:

а) 1 с; б) 1 мин; в) 1 ч; г) 2π с.

Укажите формулу, связывающую циклическую частоту ω с частотой ν:

а) ; в) ;

б) ; г) .

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

а) ; в) ;

б) . г) .

Декрементом затухания называется отношение:

а) двух соседних амплитуд;

б) двух соседних амплитуд, разделенных периодом;

в) первой и последней амплитуд;

г) двух амплитуд, разделенных полупериодом.

Укажите единицу измерения коэффициента затухания β:

а) с; в) с^-1;

б) безразмерная величина; г) .

6. Укажите решение дифференциального уравнения свободного гармонического колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) .

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

а) одна; в) три;

б) две; г) четыре.

8. Укажите дифференциальное уравнение свободного гармонического колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) .

9. Укажите решение дифференциального уравнения затухающего колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) .

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

а) 1; в) 120;

б) 60; г) 30;

11. Укажите подстановку в уравнение смещения затухающего колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) ;

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

а) две; в) четыре;

б) три; г) пять.

13. Укажите дифференциальное уравнение вынужденного колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) .

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

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

а) ; в) ;

б) ; г) .

16. Укажите дифференциальное уравнение затухающего колебания:

а) ; в) ;

б) ; г) .

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

а) ; в) ;

б) ; г) .

18. Укажите единицу измерения логарифмического декремента затухания:

а) с^-1; в) с;

б) с²; г) безразмерная величина.

19. Укажите, какой параметр в уравнении смещения указывает на то, что процесс носит затухающий характер:

a) t; б) ω₀; в) А₀; г) β.

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) ; в) ;

б) ; г) .

22. Укажите, на каком из графиков показан период колебания Т:

23. Укажите график вынужденного колебания:

24. Укажите, каков физический смысл знака «-» в формуле закона Гука

а) физический смысл отсутствует;

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

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

г) показывает, что направления силы упругости F_упр 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:

а) ω_рез>ω₀; в) ω_рез≠ω₀;

б) ω_рез=ω₀; г) ω_рез<ω₀.

28. Укажите уравнение скорости незатухающего колебания, совершаемого по закону:

а) ; в) ;

б) ; г) .

29. Укажите уравнение ускорения незатухающего колебания, совершаемого по закону:

а) ; в) ;

б) ; г) ;

30. Укажите, что в автоколебательной системе сердца выполняет роль регулятора:

а) метаболические процессы;

б) сердце;

в) сино – атриальный узел;

г) ряд внутрисердечных рефлекторных дуг и рефлекторные дуги ЦНС.

31. Укажите, функцию какого параметра выполняет f₀ в дифференциальном уравнении вынужденного колебания :

а) скорости; в) массы;

б) ускорения; г) внешней силы.

32. Укажите, функцию чего в классическом примере автоколебаний в часах выполняет анкер:

а) источника энергии; в) клапана (регулятора);

б) колебательной системы; г) обратной связи.

33. Укажите уравнение, по которому определяется амплитуда А установившегося вынужденного колебания:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

34. Чему будет равен логарифмический декремент λ, если отношение амплитуд А_t и A_t₊_T равно 2,7:

а) λ =1; в) λ =3;

б) λ =2; г) λ =4.

35. Чему будет равно отношение амплитуд А_t и A_t₊_T, если логарифмический декремент λ равен 1,1:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

Лабораторная работа №2