Механические колебания — это физические процессы, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.
Колебания делятся на два вида: свободные и вынужденные.
Свободные колебания
Это колебания, которые происходят под действием внутренних сил в колебательной системе.
Они всегда затухающие, потому что весь запас энергии, сообщенный в начале, в конце уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (в этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю). Из-за этого свободные колебания почти не имеют практического применения.
Вынужденные колебания
А вот вынужденные колебания восполняют запас энергии внешним воздействием. Если это происходит каждый период, то колебания вообще затухать не будут.
Частота, с которой эта сила воздействует, равна частоте, с которой система будет колебаться.
Например, качели. Если вас кто-то будет на них качать, каждый раз давая толчок, когда вы приходите в одну и ту же точку — такое колебание будет считаться вынужденным.
Это колебание все еще будет считаться вынужденным, если вас будут раскачивать из положения равновесия. Просто в данном случае амплитуда (о которой речь пойдет чуть ниже) будет увеличиваться с каждым колебанием.
Автоколебания
Иногда вынужденному колебанию не нужно внешнего воздействия, чтобы случиться. Бывают такие системы, в которых это внешние воздействие возникает само из-за способности регулировать поступление энергии от постоянного источника.
У автоколебательной системы есть три важных составляющих:
Часы с кукушкой — пример автоколебательной системы. Гиря на ниточке (цепочке) стремится вращать зубчатое колесо (храповик). При колебаниях маятника анкер цепляет за зубец, и вращение приостанавливается.
Но в результате маятник получает толчок, компенсирующий потери энергии из-за трения. Потенциальная энергия гири, которая постепенно опускается, расходуется на поддержание незатухающих колебаний.
Характеристики колебаний
Чтобы перейти к гармоническим колебаниям, нам нужно описать величины, которые помогут нам эти колебания охарактеризовать. Любое колебательное движение характеризуется величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.
Формула периода колебаний
T= t/N
N — количество колебаний [-]
Также есть величина, обратная периоду — частота. Она показывает, сколько колебаний совершает система в единицу времени.
Формула частоты
ν= N/t = 1/T
N — количество колебаний [-]
Она используется в уравнении гармонических колебаний:
Гармонические колебания
Простейший вид колебательного процесса — простые гармонические колебания, которые описывают уравнением:
Уравнение гармонических колебаний
x — координата в момент времени t [м]
t — момент времени [с]
2πνtв этом уравнении — это фаза. Ее обозначают греческой буквой φ
Фаза колебаний
t — момент времени [с]
Например, в тех же самых часах с кукушкой маятник совершает колебания. Он качается слева направо и приходит в самую правую точку. В той же фазе он будет находиться, когда придет в ту же точку, идя справа налево. Если мы возьмем точку на сантиметр левее самой правой, то идя в нее не слева направо, а справа налево, мы получим уже другую фазу.
На рисунке ниже показаны положения тела через одинаковые промежутки времени при гармонических колебаниях. Такую картину можно получить при освещении колеблющегося тела короткими периодическими вспышками света (стробоскопическое освещение). Стрелки изображают векторы скорости тела в различные моменты времени.
Если изменить период, начальную фазу или амплитуду колебания, графики тоже изменятся.
На рисунке ниже во всех трех случаях для синих кривых начальная фаза равна нулю, а в последнем (с) — красная кривая имеет меньшую начальную фазу.
Во втором случае (b) красная кривая отличается от синей только значением периода — у красной период в два раза меньше.
Математический маятник
Математический маятник — отличный пример гармонических колебаний. Если мы подвесим шарик на нити, то это еще не будет математическим маятником — пока он только физический.
Математическим этот маятник станет, если размеры шарика много меньше длины нити (тогда этими размерами можно пренебречь и рассматривать шарик как материальную точку), растяжение нити очень мало, а масса нити во много раз меньше массы шарика.
Математическим маятником называется система, которая состоит из материальной точки массой m и невесомой нерастяжимой нити длиной l, на которой материальная точка подвешена, и которая находится в поле силы тяжести (или других сил).
Период малых колебаний математического маятника в поле силы тяжести Земли определяется по формуле:
Формула периода колебания математического маятника
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Пружинный маятник
Пружинный маятник — это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.
В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости. Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует.
Формула периода колебания пружинного маятника
m — масса маятника [кг]
k — жесткость пружины [Н/м]
Закон сохранения энергии для гармонических колебаний
Физика — такая клевая наука, в которой ничего не исчезает бесследно и не появляется из ниоткуда. Эту особенность описывает закон сохранения энергии.
Рассмотрим его на примере математического маятника.
Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)
Записаться на марафон
Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)
Смотреть что такое «гармонические колебания» в других словарях:
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой синусоидой. Гармонические колебания простейший вид периодических движений, характеризуется … Современная энциклопедия
Гармонические колебания — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой синусоидой. Гармонические колебания простейший вид периодических движений, характеризуется … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Гармонические колебания — Колебания, при которых физическая величина изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса. Графически Г. к. изображаются кривой синусоидой или косинусоидой (см. рис.); они могут быть записаны в форме: х = Asin (ωt + φ) или х … Большая советская энциклопедия
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодическое движение, такое как движение МАЯТНИКА, атомные колебания или колебания в электрической цепи. Тело совершает незатухающие гармонические колебания, когда оно колеблется вдоль линии, перемещаясь на одинаковое… … Научно-технический энциклопедический словарь
гармонические колебания — Механические колебания, при которых обобщенная координата и (или) обобщенная скорость изменяются пропорционально синусу с аргументом, линейно зависящим от времени. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 106. Механические колебания. Академия наук … Справочник технического переводчика
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — (см.), при которых физ. величина изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса (напр. изменения (см.) и скорости при колебании (см.) или изменения (см.) и силы тока при электрических Г. к.) … Большая политехническая энциклопедия
Гармонические колебания — 19. Гармонические колебания Колебания, при которых значения колеблющейся величины изменяются во времени по закону Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — периодич. колебания, при к рых изменение во времени физ. величины происходит по закону синуса или косинуса (см. рис.): s = Аsin(wt+ф0), где s отклонение колеблющейся величины от её ср. (равновесного) значения, А=const амплитуда, w= const круговая … Большой энциклопедический политехнический словарь
Тема : (продолжение) Сложение колебаний. Собственные, затухающие и вынужденные колебания. Автоколебательные системы. Резонанс.
Колебания тела могут происходить под действием нескольких сил, действующих в разных направлениях, поэтому рассмотрим некоторые простые случаи сложения гармонических колебаний.
1. Сложение двух колебаний одного направления.
а) частоты и фазы – одинаковые, амплитуды разные:
Результат будет следующим: X = X1 + X2 = (a1 + a2) sin wt = A sinwt, т. е. амплитуда результирующего колебания будет равна сумме амплитуд складываемых колебаний;
б) частоты и амплитуды одинаковы, фазы отличаются на j:
Амплитуда результирующего колебания A = 2a cos j/2 меньше суммы амплитуд складываемых колебаний; в частности если j = p, то A = 0, т. е. два колебания с противоположными фазами взаимно друг друга гасят, и тело будет покоиться;
2. Сложение колебаний, происходящих в двух перпендикулярных направлениях. Обозначим смещение тела в одном направлении через X, а в другом – через Y: а) частоты и фазы – одинаковые, амплитуды различаются: X = a1 sin wt и Y = a2 sin wt. Совместное решение приводит к уравнению Y = a2X/a1, т. е. результирующее колебание происходит вдоль прямой, составляющей с осью OX некоторый угол j, тангенс которого равен отношению a2/a1, и графически может быть представлено так:
у
φ x
Расстояние r от колеблющегося тела до точки 0 будет изменяться со временем по формуле:
r =
Результирующее колебание происходит вдоль прямой, составляющей с осью ОХ некоторый угол j, тангенс которого равен отношению ;
в) частоты разные, но кратные между собой, например w1 : w2 = 1 : 2; 2 : 3 и т. д. В этом случае колеблющееся тело совершает движение по довольно сложным замкнутым траекториям, которые называют фигурами Лиссажу.
Форма этих фигур определяется отношением частот складывающихся колебаний, их амплитудами и разностью фаз между ними. Разобраться в сложностях этих колебаний помогает теорема Фурье, позволяющая представлять их совокупностью гармонических колебаний.
Оказывая воздействие на колеблющееся тело, можно вызвать изменение со временем амплитуды А=A(t) или частоты w = w(t) колебаний по какому-либо закону (в частности, периодическому):
X = A(t) sin (wt+j) ; X = A sin [w(t)t+j]. Такие колебания называются модулированными. Модуляция называется амплитудной, если изменяется амплитуда при постоянной частоте колебаний, и частотной, если изменяется частота колебаний при постоянной амплитуде. Модуляция колебаний необходима, например, при радиопередачах; колебания, вызванные в микрофоне голосом диктора или звучанием музыкальных инструментов, изменяют амплитуду или частоту колебаний тока в антенне радиопередатчика. В приёмниках производится демодуляция колебаний (т. е. выделение тех воздействий, которые производили модуляцию), усиление их и обратное превращение в звуковые колебания.
а) Общая характеристика и уравнение колебательного движения
б) Баланс энергии при колебательном движении
в) Сложение гармонических колебаний
г) Гармонический спектр простого и сложного колебания
д) Затухающие колебания
а) Общая характеристика волны. Волны продольные и поперечные.
б) Уравнение плоской волны
в) Поток энергии волны. Уравнение Умова.
а) Общая характеристика и уравнение колебательного движения.
Колебательное движение – один из видов механического движения. В жизни оно встречается повсюду: маятник в настенных часах, груз, подвешенный на пружине, вода в открытом сосуде, вагон на рессорах, корабль на волнах и др. Главной характерной чертой колебательного движения является егоповторяемость,т.е. каждое последующее движение повторяет предыдущее.
Для осуществления колебательного движения необходимы следующие условия: во-первых, должно быть наличие инертной массы, во-вторых, при выведении тела из положения равновесия должна возникать возвращающая сила.Данная сила должна быть пропорциональна величине отклонения тела от положения равновесия. Данная сила сообщает телу ускорение.
Это – дифференциальное уравнение 2-го порядка. Представим его в виде:
d 2 X/dt 2 + w 2 X = 0
где d 2 X/dt 2 = kX/m w = k/m
Частное решение этого уравнения будет выглядеть так:
X = A sin ( wt + fо)
Кроме того, в физике колебательного движения приняты следующие единицы:
n— частота (Гц)
Частота (в герцах) показывает, сколько колебаний совершит тело за 1 секунду.
Период Т показывает продолжительность одного полного колебания (в секундах)
Особенность колебательного движения в том, что его легко можно связать с вращательным. Если представить себе какое-либо тело, движущееся по окружности в плоскости чертежа, то тень от него, падающая на вертикальную ось координат Х, будет совершать колебания вверх-вниз и если развернуть это движение на горизонтальную ось t, то получится кривая, являющаяся синусоидой.
Следует заметить, что графиком частного решения вышеуказанного дифференциального уравнения является кривая той же формы:
Наибольшее затруднение у студентов вызывает понятие фазы. В колебательном движении фаза играет туже роль, что координата в поступательном движении.
X = (ut + X ) для поступательного движения
f = ( wt + f ) для колебательного движения
В колебательном движении фаза показывает, какая часть периода прошла от начала колебания.
Зная, что координата колеблющегося тела изменяется по закону:
Х = А sin (wt + f )
найдём закон, по которому изменяется скорость и ускорение:
u = X \ = A w cos(wt + f )
Отсюда видно, что координата, скорость и ускорение изменяются либо по закону синуса, либо по закону косинуса. Причём, производная любого порядка даст либо синус, либо косинус. Из этого следует, что синус и косинус являются гармоническими функциями. Значит движение, осуществляющееся по законам синуса или косинуса является гармоническим колебанием, или колебанием, типа «проще некуда».
Все эти три графика представляют собой кривую одинаковой формы, только эти кривые сдвинуты относительно друг друга на 90 о
б) Баланс энергии при колебательном движении
Следует напомнить формулы кинетической и потенциальной энергии, используемые в механике.
Из закона сохранения энергии следует, что полная механическая энергия замкнутой системы – есть величина постоянная:
Ек + Еп = Е
u = dX/dt = ( A sin wt) \ = A cos wt u = Aw
Кинетическая энергия точки:
Ek = mA 2 cos 2 w t
Потенциальная энергия точки:
Еп = kA 2 /2 здесь: k = m w 2 так как k = ma /X = mA 2 w 2 /X
Еп =mA 2 w 2 sin 2 w t
Ек = mA 2 w 2 sin 2 w t
Ек + Еп = mA 2 w 2 (sin 2 wt + cos 2 wt)
Учитывая, что выражение в скобках равно единице, окончательно получим значение полной механической энергии колеблющейся точки
Е = mA 2 w 2
в) Сложение гармонических колебаний
Гармонические колебания можно сложить как в одном направлении, так и во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим сложение колебаний в одном направлении. Возьмём простейший случай, когда складываются колебания одинаковой частоты, совпадающих по фазе. В этом случае будут складываться их амплитуды:
Если складываются колебания, находящиеся в противофазе, то их амплитуды будут вычитаться. При одинаковых амплитудах, колебания вообще погасят друг друга:
Если колебания складываются во взаимно перпендикулярном направлении, то колеблющаяся точка будет на плоскости выписывать сложную траекторию. Если частоты этих колебаний будут относиться как целые числа, то траектория будет иметь вид устойчивой кривой, которая называется фигурой Лиссажу:
г) Гармонический спектр
Если в одном направлении складываются колебания разных частот, то точка будет совершать сложные колебания, график которых будет представлять очень замысловатый вид, изобразить который графически бывает очень трудно. Существует ещё один способ графического изображения колебательного движения.
Французский математик Фурье доказал, что периодический процесс любой формы можно разложить на простые гармонические колебания. В связи с этим, графически колебания можно изобразить гармоническим спектром. По горизонтальной оси откладывается частота, а по вертикальной – амплитуда. Таким образом, гармонический спектр простого синусоидального колебания представляет собой отрезок прямой, перпендикулярный оси частот. Положение отрезка по горизонтали определяется частотой, а длина отрезка – амплитудой колебания.
Спектр сложного колебания представляет собой несколько линий.
Во многих случаях колебания изображать гармоническим спектром удобнее и проще, чем их графиком.
д) Затухающие колебания
В идеальном случае в колебательной системе происходит обмен кинетической и потенциальной энергии, причём, потерь энергии на трение нет. Поэтому, амплитуда колебания остаётся постоянной. В реальных же условиях при каждом цикле часть энергии переходит во внутреннюю, поэтому амплитуда колебания постепенно уменьшается по экспоненциальному закону:
Колебания ― это процесс, при котором состояние системы изменяется, повторяясь во времени, и смещаясь то в одну, то в другую сторону относительно состояния равновесия.
Период ― это время, через которое повторяются показатели системы, т. е. система совершает одно полное колебание. Период изменяется в секундах.
N ― количество колебаний;
ω ― циклическая частота [рад/с];
Гармонические колебания ― колебания, в которых физические величины изменяются по закону синуса или косинуса. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид:
ω ― циклическая частота [рад/с];
φ0 ― начальная фаза колебаний, [рад];
Смещение (x) ― это отклонение тела от положения равновесия. Смещение также является координатой тела, если отсчитывать ее от положения равновесия.
Амплитуда колебаний (A) ― максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия, т. е. максимальное смещение равно амплитуде колебаний xmax = A.
Начальная фаза колебаний (φ0) определяет смещение в начальный момент времени, выраженное в радианах.
Фаза колебаний (φ) или полная фаза колебаний, определяет смещение в данный момент времени, выраженное в радианах. Фаза колебаний равна φ = ωt + φ0, где
φ ― полная фаза колебаний [рад];
φ0 ― начальная фаза колебаний, [рад];
ω ― циклическая частота [рад/с];
Пример анализа гармонических колебаний точки
Рассмотрим гармонические колебания, в которых уравнение движения точки имеет вид x(t) = Asin(ωt), где
ω ― циклическая частота [рад/с].
График колебания координаты точки имеет вид:
Определим уравнение и график колебания скорости. Скорость ― это производная координаты по времени: v = xt‘, где
v ― скорость движения точки [м/с];
Так как закон изменения координаты нам известен x(t) = Asin(ωt), скорость движения колеблющейся точки: v = xt‘ = |Asin(ωt)|’t = Acos(ωt).
Уравнение скорости точки равно v(t) = Acos(ωt), где
v ― скорость движения точки [м/с];
ω ― циклическая частота [рад/с];
Сравнив уравнение v(t) = Aωcos(ωt) с кинематическим уравнением гармонических колебаний, легко заметить, что Aω ― амплитуда изменения скорости, а ωt ― фаза колебаний скорости. Таким образом, максимальное значение скорости равно vmax = Aω, и оно достигается при | cos(ωt) | = 1, т. е. тогда, когда фаза колебаний скорости равна φ = πn, где n = 0, 1, 2, … N.
График колебания скорости точки имеет вид:
Аналогично определяются уравнение и график колебания ускорения точки, которая движется по гармоническому закону.
Ускорение ― это производная скорости по времени: a = vt‘, где
a ― ускорение движения точки [м/с2];
v ― скорость движения точки [м/с];
Так как закон изменения скорости был определен выше v(t) = Aωcos(ωt), определим ускорения движения колеблющейся точки: a = vt‘ = [Aωcos(ωt)]t‘ = –Aω2sin(ωt).
Уравнение ускорения точки равно a(t) = –Aω2sin(ωt), где
a ― ускорение движения точки [м/с2];
ω ― циклическая частота [рад/с];
Модуль ускорения точки максимален, когда |sin(ωt)| = 1 ― тогда же, когда достигает максимума смещение точки. Максимальное ускорение, т. е. амплитуда ускорения точки равна amax = Aω2.
График колебания ускорения точки имеет вид:
Во время гармонических колебаний, формы энергии колебательной системы все время находятся в процессе взаимной трансформации. В механической колебательной системе преобразуется механическая энергия: потенциальная энергия ― в кинетическую, а затем кинетическая энергия ― вновь в потенциальную. Полная механическая энергия колеблющейся системы постоянна, и в любой момент времени справедлив закон сохранения энергии E = EП + EK, где
E ― полная механическая энергия системы, E = const, [Дж];
EП ― потенциальная энергия системы, изменяющаяся во времени, [Дж];
EK ― кинетическая энергия системы, изменяющаяся во времени, [Дж].
Рассмотрим изменение потенциальной энергии пружинного маятника, который колеблется по гармоническому уравнению x(t) = Asin(ωt).
EП ― потенциальная энергия деформированной пружины, [Дж];
k ― коэффициент упругости пружины [Н/м];
x ― деформация пружины (величина ее удлинения или сжатия) [м].
EП ― потенциальная энергия пружинного маятника, [Дж];
k ― коэффициент упругости пружины [Н/м];
ω ― циклическая частота [рад/с];
EПmax ― максимальная потенциальная энергия пружинного маятника, [Дж];
k ― коэффициент упругости пружины [Н/м];
Потенциальная энергия пружинного маятника равна нулю, когда sin(ωt) = 0 ― когда маятник проходит положение равновесия, и максимальна, когда sin(ωt) = 1 ― когда маятник находится в крайних положениях, т. е. когда его смещение равно амплитуде.
График колебаний потенциальной энергии пружинного маятника:
Eк ― кинетическая энергия тела, [Дж];
v ― скорость движения тела, [м/с].
У тела, которое совершает колебательные движения, скорость ― переменная величина.
Eк ― кинетическая энергия маятника, [Дж];
ω ― циклическая частота [рад/с];
EКmax ― максимальная кинетическая энергия маятника, [Дж];
ω ― циклическая частота [рад/с].
Максимальная кинетическая энергия маятника достигается тогда, когда cos2(ωt) = 1 ― маятник проходит положение равновесия, и она равна нулю, когда маятник находится в крайнем положении.
График колебаний кинетической энергии маятника:
Математический маятник ― это колебательная система, состоящая из материальной точки, подвешенной на нерастяжимой нити или стержне.
l ― длина нити математического маятника [м];
g ― ускорение свободного падения [м/с2].
Существует особый тип колебаний ― вынужденные колебания. Вынужденные колебания происходят только под постоянным периодическим внешним воздействием и их характеристики зависят от характеристик этого воздействия.
Если частота внешнего воздействия, которое вызывает вынужденные колебания, совпадает с собственной внутренней частотой колебательной системы ― возникает явление резонанса. При резонансе резко возрастает амплитуда колебаний системы. Частота, при которой возникает явление резонанса, называется резонансной частотой.
На рисунке показан график резонансной кривой ― увеличение амплитуды при совпадении частоты внешнего воздействия с внутренней частотой системы.
у
φ x
;
Читать 0 мин.
