- •Глава 1. Кинематика 3
- •Глава 2. Динамика 15
- •Введение
- •Глава 1. Кинематика
- •1.1. Основные понятия кинематики
- •1.2. Скорость и ускорение точки
- •1.3. Частные случаи движения точки
- •Равнопеременное движение.
- •Прямолинейное равномерное движение.
- •Прямолинейное равнопеременное движение.
- •1.4. Криволинейное движение точки
- •1.5. Поступательное движение твердого тела
- •1.6. Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси
- •1.7. Равномерное и равнопеременное вращение
- •Равнопеременное вращение.
- •Глава 2. Динамика
- •2.1. Основные понятия, законы и задачи динамики
- •2.2. Основные виды механических сил
- •2.3. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности.
- •2.4. Работа и мощность.
- •2.5. Механическая энергия.
- •2.6. Импульс точки и системы материальных точек. Закон сохранения импульса.
- •2.7. Энергия системы материальных точек. Закон сохранения механической энергии.
- •2.8. Момент силы. Момент инерции.
- •2.9. Вычисление моментов инерции стандартных тел.
- •2.10. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела.
- •2.11. Кинетическая энергия вращения тела.
- •2.12. Закон сохранения момента импульса.
- •Глава 3. Механические колебания и волны
- •3.1. Колебательное движение. Гармонические колебания.
- •3.2. Дифференциальное уравнение свободных колебаний. Простейшие механические колебательные системы.
- •3.3. Энергия гармонических колебаний.
- •3.4. Затухающие колебания.
- •3.5. Вынужденные колебания. Резонанс.
- •3.6. Механические волны. Уравнение бегущей волны. Фазовая и групповая скорость.
- •3.7. Волновое уравнение.
3.4. Затухающие колебания.
Реально свободные колебания под действием сил сопротивления всегда затухают. Объясняется это действием сил, тормозящих движение, например, сил трения в месте подвеса при колебаниях маятника, или силой сопротивления среды. В этом случае энергия механических колебаний постепенно расходуется на работу против этих сил. Поэтому свободные колебания под действием сил сопротивления всегда затухают.
Пусть точка совершает линейное гармоническое колебание в вязкой среде. Из опыта известно, что сила сопротивления среды зависит от скорости и направлена в сторону, противоположную скорости. При малых скоростях: , где r – постоянная величина, называемая коэффициентом сопротивления среды. Уравнение колебаний:
.
Введем обозначения: , тогда дифференциальное уравнение затухающего колебания:
(1)
(2)
Выражение называется амплитудой затухающего колебания. Амплитуда уменьшается с течением времени и тем быстрее, чем больше коэффициент затухания. Огибающая на графике зависит от . Чем она больше, тем круче огибающая, то есть колебания быстрее затухают (рис.24.1).
Путем подстановки функции (2) и ее производных по времени в уравнение (1), можно найти значение угловой частоты: . Период затухающих колебаний равен: .
Наглядной характеристикой затухания является отношение значений двух амплитуд, соответствующих промежутку времени в один период. Это отношение называют декрементом затухания :
.
Его натуральный логарифм есть безразмерная величина, называемая логарифмическим декрементом затухания: .
Промежуток времени , в течение которого амплитуда затухающего колебания убывает в е раз, называют временем релаксации.
Тогда выражение для логарифмического декремента затухания примет вид: или .
Логарифмический декремент затухания – величина, обратная числу колебаний N, по истечении которых амплитуда колебаний уменьшается в е раз.
3.5. Вынужденные колебания. Резонанс.
Колебания системы, которые совершаются за счет работы периодически меняющейся внешней силы, называются вынужденными.
Пусть на систему действует внешняя сила, меняющаяся со временем по гармоническому закону: , где F0 – амплитуда силы (максимальное значение), – угловая частота колебаний вынуждающей силы. Тогда уравнение движения будет иметь вид:
=.
Разделим обе части этого уравнения на m и введем вновь обозначения: , тогда получим неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка: = (1)
Решение этого уравнения, как известно из высшей математики, представляет собой сумму свободных и вынужденных колебаний:
Таким образом, вынуждающая сила раскачивает систему, сообщая ей запас энергии, и пополняет расходуемую энергию, поддерживая колебательное движение. В первый момент система совершает помимо вынужденных еще свободные колебания. Частота свободных колебаний определяется по известной формуле: . Эти колебания затухают, и устанавливаются колебания, частота которых равна частоте вынуждающей силы, то есть вынужденные колебания. Когда работа вынуждающей силы сравнивается с энергией потерь, колебания становятся установившимися. Амплитуда этих колебаний должна быть постоянной, если постоянна амплитуда вынуждающей силы.
Решение дифференциального уравнения при установившемся движении имеет вид: (2)
где А, – величины, которые требуется определить, – круговая частота колебаний внешней переменной силы. Подставляя (2) в (1) (без вывода), получаем искомые величины:
(3)
(4)
,
Сократим на 4:, откуда получим: .
Резонансная амплитуда:
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте 0, называется резонансом.
При коэффициенте затухания =0, когда отсутствуют силы сопротивления, , а Арез становится бесконечно большой. На рисунке 25.1. даны зависимости амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы. Отдельные кривые соответствуют различным значениям коэффициента затухания . Эти кривые называются резонансными. Чем меньше коэффициент затухания, тем резче изменяется амплитуда вынужденных колебаний. При резонансе наступают наиболее благоприятные условия для поступления энергии в колеблющуюся систему от источника внешней силы. Увеличение амплитуды происходит до тех пор, пока вся работа внешней силы не сравняется с энергией потерь.