Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Колебания кл.doc
Скачиваний:
16
Добавлен:
30.04.2019
Размер:
1.56 Mб
Скачать

5.8. Вынужденные механические колебания. Резонанс

Вынужденные механические колебания происходят, когда на систему, кроме упругой силы и силы сопротивления, действует сила, величина которой меняется с течением времени по гармоническому закону. Эта внешняя сила периодически пополняет энергию системы, расходуемую на работу против силы сопротивления. Поэтому в системе с течением времени устанавливаются вынужденные колебания с постоянной амплитудой.

Запишем II закон Ньютона для этого случая:

, (5.71)

где , - частота внешней силы. (5.72)

В проекции на направление движения (ось ) это уравнение имеет вид:

Введем обозначения: ; ; .

(5.73)

- это дифференциальное уравнение вынужденных механических колебаний. Общее решение этого неоднородного дифференциального уравнения представляет собой сумму общего решения соответствующего однородного дифференциального уравнения и частного решения неднородного уравнения:

. (5.74)

С течением времени первое слагаемое в этом выражении быстро уменьшается, поэтому установившиеся вынужденные колебания описываются вторым слагаемым. График зависимости x(t) в этом случае изображен на рис. 5.18.

Частота установившихся вынужденных колебаний равна частоте внешней силы , амплитуда и начальная фаза определяются соотношениями:

, (5.75)

. (5.76)

Начальная фаза в данном случае определяет сдвиг по фазе между установившимися вынужденными колебаниями и внешней силой.

Проанализируем зависимость амплитуды установившихся колебаний от частоты внешней силы :

1) , ;

2) , ; (5.77)

3) в системе, совершающей вынужденные колебания, возможно явление резонанса.

Резонанс – это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при определенной частоте внешней силы. Найдем резонансную частоту. Для этого производную по от приравняем к нулю:

; ,

; .

Два корня этого уравнения (при и ) соответствуют минимумам . При

(5.78)

амплитуда установившихся вынужденных колебаний достигает максимального значения. Это и есть резонансная частота.

Рис.5.19

Найдем амплитуду колебаний при резонансе:

. (5.79)

Зависимости от называются резонансными кривыми. Резонансные кривые в случае острого резонанса (затухание мало, ) и тупого резонанса (сильное затухание, ) представлены на рис. 5.19. Острота резонанса, т.е. высота и ширина резонансного пика, зависят от коэффициента затухания .

5.9. Вынужденные электромагнитные колебания

Вынужденные электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре, в котором действует ЭДС, величина которой меняется по гармоническому закону.

З апишем закон сохранения энергии для колебательного контура, изображенного на рис. 5.20:

, (5.80)

.

Введем обозначения:

; ; ; ;

(5.81)

- дифференциальное уравнение вынужденных электромагнитных колебаний. Оно аналогично (5.73). Решение этого уравнения имеет вид, аналогичный (5.74):

. (5.82)

График этой зависимости представлен на рис. 5.21.

Установившиеся вынужденные колебания описываются вторым слагаемым в зависимости . Они происходят с частотой ЭДС , - разность фаз между колебаниями заряда и внешней ЭДС. и определяются соотношениями, аналогичными (5.75) и (5.76):

, (5.83)

. (5.84)

Видно, что и определяются свойствами контура и вынуждающей ЭДС, причем отстает по фазе от .

В электрической цепи, обладающей , и , в которую включена переменная ЭДС, возможны явления резонанса заряда и резонанса тока.

1). Резонанс заряда (напряжения).

Для нахождения резонансной частоты, аналогично тому, как это сделано в разделе 5.8, нужно взять производную по частоте ЭДС от и приравнять её нулю.

. Проделав соответствующие преобразования, получим:

(5.85)

. (5.86)

Резонансные кривые для резонанса заряда представлены на рис. 5.22.

2. Для нахождения резонансной частоты при резонансе тока найдем ток в контуре, используя соотношение :

. (5.87)

Амплитуда тока равна

. (5.88)

Как видно из этого выражения, амплитуда тока принимает наибольшее значение при такой частоте внешней ЭДС, при которой . Из этого соотношения находим резонансную частоту для резонанса тока

(5.89)

. (5.90)

Резонансные кривые для резонанса тока представлены на рис. 5.23. Острота резонанса зависит от активного сопротивления цепи .