Колебания скрипичной струны

Рассматриваемый случай можно осуществить, прижимая ножку камертона к фортепьянной струне. Звук сильно возрастает каждый раз, когда какая-либо из собственных частот участка струны между точкой соприкосновения и любым из её концов совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Этот метод предложен Гельмгольцем как способ получения чистых тонов, т.к. высшие собственные частоты камертона не гармоничны по отношению к основной частоте и поэтому не усиливаются. Если на струну действует поперечная сила и на единицу длины приходится сила I, то уравнение (6.1) можно записать как

r¶2y/¶t2=(P¶2y/¶x2)+I (6.14)

Вообще I может зависеть одновременно и от x и от t.

Случай периодической силы Fcos(Pt+a), сосредоточенной на бесконечно малом отрезке струны вблизи x=a, можно вывести из (6.13) и (6.13'). Величину b можно выразить через F, исходя из условия точного уравновешивания силы натяжения струны в этой точке; при x=a должно быть

Fcos(Pt+a)=Py'1 - Py'2 (6.15)

Отсюда получаем

y1=csin(Px/c) sin(p(L-a)/c) Fcos(Pt+a)/P2sin(PL/c) (6.16)

y2=c sin(Px/c) sin(p(L-x)/c) Fcos(Pt+a)/P2sin(PL/c) (6.16')

Как правило, амплитуда сильно возрастает, когда величина sin(PL/c) мала, т.е. когда период вынужденных колебаний приближается к одному из периодов собственных колебаний всей струны. В случае, когда одновременно sin(Pa/c)=0 и sin(PL/c)=0, имеет место неопределённость, точка x=0 при этом совпадает с узлом.

Силы трения между смычком и струной – это силы сухого трения. Можно говорить о силах трения покоя и трениях скольжения. Первая сила возникает между соприкасающимися, но неподвижными друг относительно друга телами, вторая – при скольжении одного тела по поверхности другого.

Сила трения покоя всегда равна по величине и противоположна по направлению внешней силе. Сила трения скольжения зависит от материала тел и от состояния трущихся поверхностей, а также от относительной скорости этих тел.

При начальном движении смычка струна отклоняется вместе с ним. При этом сила трения покоя уравновешивается силами натяжения струны. Равнодействующая F сил натяжения пропорциональна отклонению струны x от положения равновесия:

F=2Tsina=4T0x/l

где l –длина струны, а T0 –сила натяжения струны, которую при малых отклонениях можно считать постоянной. Поэтому при движении струны вместе со смычком сила F будет расти, и в тот момент, когда она станет равной максимальной силе трения покоя, начнётся проскальзывание.

В момент срыва скорость струны равнялась скорости смычка, и в начале струна будет продолжать отклоняться в сторону движения смычка. Но теперь равнодействующая сила натяжения ничем не скомпенсирована, поэтому она будет тормозить движение струны, замедляя его. В какой-то момент скорость струны упадёт до нуля, затем струна начнёт двигаться обратно; после максимального отклонения от положения равновесия в противоположную начальной сторону струна опять будет двигаться в сторону движения смычка. А смычок будет двигаться равномерно со скоростью u. В некоторый момент скорости струны и смычка сравняются. При этом между струной и смычком проскальзывания уже нет, и появляется сила трения покоя, равная равнодействующей сил натяжения.

При дальнейшем движении струны до положения равновесия силы натяжения уменьшатся, и соответственно уменьшается сила трения покоя. После прохождения струной положения равновесия процесс повторяется. Таким образом, мы получаем незатухающие колебания.

Другое по теме:

Способы развития речевых умений на старшем этапе обучения английскому языку
Поскольку объектом нашего исследования является процесс совершенствования речевых умений, рассмотрим способы развития речевых умений на старшем этапе обучения английскому языку. Как было отмечено в параграфе 1.2, в процессе обучения устной речи учащиеся овладевают умениями логично и последовательно ...

Анализ опыта реализации профильного обучения на примере
г. Комсомольска-на-Амуре Для достижения поставленных целей и задач, нами было проведено исследование проблемы реализации профильного обучения на практике в школах города Комсомольск-на-Амуре. Нами были опрошены учителя географии школ города. Учителям было предложено ответить на вопросы анкет. перва ...

О математическом творчестве
Прогресс человечества неразрывно связан с творчеством, с созданием нового, с возникновением идей, позволяющих взглянуть на, казалось бы, хорошо известные явления с неожиданных позиций. Теперь в эпоху ускоренного научно-технического прогресса особенно важно добиться того, чтобы как можно большее чис ...