Механические колебания в дифференциальных уравнениях (стр. 1 из 3)

Реферат Выполнил: студент гр. МХТ-02 Казаков Василий Васильевич

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Магнитогорск 2003

Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебательные процессы широко распространены в природе и технике, например качания маятника часов, переменный электрический ток и т.д. При колебательном движении маятника изменяется координата центра масс, в случае переменного тока колеблются напряжение и сила тока. Физическая природа колебаний может быть разной, однако различные колебательные процессы описываются одинаковыми характеристиками и одинаковыми уравнениями. Рассмотрим механические колебания.

Гармонические колебания.

Гармоническими колебаниями называются колебания, при которых изменяющаяся величина изменяется по закону синуса (косинуса).

Пусть груз весом Р подвешен на вертикальной пружине, длина которой в естественном состоянии равна

. Груз слегка оттянут книзу и затем отпущен. Найдем закон движения груза, пренебрегая массой пружины и сопротивлением воздуха.

Решение

Направим ось Ох вниз по вертикальной прямой, проходящей через точку подвеса груза. Начало координат О выберем в положении равновесии груз, то есть в точке, в которой вес груза уравновешивается силой натяжения пружины.

Пусть l означает удлинение пружины в данный момент, а l_ст—статическое удлинение, т.е. расстояние от конца нерастянутой пружины до положения равновесия. Тогда l=l_ст+х, или l-l_ст=х.

Дифференциальное уравнение получим из второго закона Ньютона: F=ma, где m=P/g—масса груза а—ускорение движения и F—равнодей-ствующая приложенных к грузу сил. В данном случае равнодействующая слагается из силы натяжения пружины и силы тяжести.

По закону Гука сила натяжения пружины пропорциональна её удлинению: F_упр=-сl, где с – постоянный коэффициент пропорциональности называемый жесткостью пружины.

Так как в положении равновесия сила равновесия сила натяжения пружины уравновешивается весом тела, то P= сl_ст. Подставим в дифференциальное уравнение выражение Р и заменим l-l_ст через х, получится уравнение в виде:

или, обозначив с/m через k²,

(1)

Полученное уравнение определяет так называемые свободные колебания груза. Оно называется уравнением гармонического осциллятора. Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Его характеристическое уравнение:

имеет мнимые корни

, соответственно этому общее решение

Для выяснения физического смысла решения удобнее привести его к другой форме, введя новые произвольные постоянные. Умножив и разделив на

, получим:

Если положить

то

(2)

График гармонических колебаний имеет вид:

Таким образом, груз совершает гармонические колебания около положения равновесия.

Величину А называют амплитудой колебания, а аргумент

— фазой колебания. Значение фазы при t=o т.e. величина

, называется начальной фазой колебания. Величина

есть частота колебания. Период колебания

и частота k зависят только от жесткости пружины и от массы системы. Так как с = Р/l_ст = mg/l_ст, то для периода можно получить также формулу:

Скорость движения груза получается дифференцированием решения по t:

Для определения амплитуды и начальной фазы необходимо задать начальные условия. Пусть, например, в начальный момент t = 0 положение груза x=x₀ и скорость u=u₀. Тогда

, откуда

Из формул для амплитуды и начальной фазы видно, что в отличие от частоты и периода собственных колебаний они зависят от начального состояния системы. При отсутствии начальной скорости (u₀=0) амплитуда А=х₀, а начальная фаза a=p/2 и, таким образом,

или

Затухающие колебания.

Затухающими колебаниями называются колебания, амплитуды которых из-за потерь энергии реальной колебательной системой с течением времени уменьшают-ся. Найдем закон движения груза в условиях предыдущей задачи, но с учетом сопротивления воздуха, которое пропорционально скорости движения.

Решение

К силам, действующим на груз, прибавляется здесь сила сопротивления воздуха

(знак минус показывает, что сила R направлена противоположно скорости u). Тогда дифференциальное уравнение движения в проекции на ось Oxимеет вид

или если положить

, то

(3)

Это уравнение также является линейным однородным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами. Его характеристическое уравнение:

имеет корни

(4)

Характер движения целиком определяется этими корнями. Возможны три различных случая. Рассмотрим сначала случай, когда

. Это неравенство имеет место, когда сопротивление среды невелико. Если положить

, то корни (4) имеют вид

. Тогда общее решение можно записать в виде

или, преобразовав, умножая и деля на

, получим:

положим, что

тогда

(5)

График зависимости отклонения от положения равновесия от времени имеет вид:

Если заданы начальные условия:

при t = 0, то можно определить А и a. Для этого находим

и подставляем t = 0 в выражения для

получим систему уравнений

Разделелив обе части второго уравнения на соответствующие части первого получим

откуда

или