Физика колебаний. Свободные колебания

½aq¢²+f=const (3.6)

при условии, что система свободна от действия внешних сил. Значение const, количественно, определяется начальными условиями. Если продифференцировать это уравнение по t и почленно поделить на q¢ то получим

aq¢¢+½(da/dq)q¢²+df/dq=0 (3.7)

Это выражение можно рассматривать как уравнение свободного движения системы, из которого исключены неизвестные реакции между её частями. Для случая малых колебаний уравнение сильно упрощается. Для существования положения равновесия уравнение должно удовлетворяться при q=const.Это требует выполнения

df/dq=0 (3.8)

значит, равновесная конфигурация характеризуется тем, что при малых отклонениях от положения равновесия потенциальная энергия «стационарна». Прибавляя или отнимая некоторую константу, можно выбирать q т.о., чтобы оно обращалась в ноль при рассматриваемой нами равновесной конфигурации; тогда, разлагая в степенной ряд по малой величине q, имеем

f=const+½cq²+… (3.9)

Ввиду стационарности f в положении равновесия, в разложении отсутствует член с первой степенью q. Const=C>0, если равновесная конфигурация устойчива, и f имеет минимум. Её можно назвать «коэффициентом устойчивости». Подставив в (3.7) уравнение (3.9) и опустив члены второго порядка относительно q и q′ получим :

aq¢¢+Cq=0 (3.10)

где a теперь можно считать постоянной величиной, имеющей значение, соответствующее конфигурации равновесия.

C/a=w² (3.10')

и следовательно

q=Ccos((wt+j) (3.11)

_т.е. гармоническая функция и

n=1/2pÖC/a (3.11¢)

Далее, поскольку смещение от положения равновесия любой части системы при её движении по своей траектории пропорционально q (в приведённых выше обозначениях оно равно aq), мы видим, что каждая частица совершает гармонические колебания с указанной частотой и отдельные частицы движутся синхронно, одновременно проходя через средние положения. Кроме того, амплитуды колебаний разных частиц находятся в постоянном отношении друг к другу; произвольны только абсолютная величина амплитуды и фаза колебания; они зависят от заданных начальных условий. Кинетическая и потенциальная энергии будут соответственно равны:

T=½aq¢²=½n²aC²sin²(wt+j) (3.12)

f=½cq²=½cC²cos²(wt+j) (3.13)

а их сумма

T+f=½w²aC²+½cC² (3.14)

Средние значения sin²(wt+j)=cos²(wt+j)=½, поэтому энергия системы в среднем является наполовину кинетической и наполовину потенциальной. Для приложения теории к частным случаям требуется только вычислить коэффициенты a и c, причём (в задачах механики) вычисление последнего обычно более сложно. В случае тела, подвешенного на проволоке и совершающего крутильные колебания вокруг оси проволоки, a-момент инерции относительно этой оси, а c-коэффициент крутильного момента, т.е. cq-это крутильный момент, возникающий при повороте тела на угол q.

Если в задаче о массе, подвешенной на пружине предположить, что вертикальное перемещение любой точки пружины пропорционально расстоянию z от точки подвеса при отсутствии растяжения, то кинетическая энергия определяется следующим выражением:

2T=Mq¢²+0òl(z/l)²q¢²rdz=(M+1/3rl)q¢² (3.15)

где r - линейная плотность, l - длина пружины в нерастянутом состоянии и q смещение груза.

Другое по теме:

Содержание работы по развитию предпосылок учебной деятельности у детей подготовительной к школе группе
Исходя из полученных данных констатирующего этапа эксперимента, мы определили цель формирующего эксперимента: реализовать содержание работы по развитию предпосылок учебной деятельности у детей старшего дошкольного возраста. На формирующем этапе эксперимента для реализации поставленной цели нами был ...

Основные линии математического образования на современном этапе
Современные подходы к организации системы школьного образования, в том числе и математического образования, определяются, прежде всего, отказом от единообразной, унитарной средней школы. Направляющими векторами этого подхода являются гуманизация и гуманитаризация школьного образования. Гуманитариза ...

Особенности формирования пространственно-временных представлений у старших дошкольников массовых групп дошкольных учреждений
Главная особенность математики как учебного предмета заключается в том, что уже на элементарных уровнях она оперирует процессами далеко идущего абстрагирования и с идеальными объектами, представляющими результаты такого абстрагирования. Она формирует и исследует структуры, строящиеся из таких объек ...