рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Свободные колебания в системах с одной степенью свободы

Свободные колебания в системах с одной степенью свободы - раздел Связь, Телекоммуникаций и информатики Пружинный Маятник (Http://www.all-Fizika.com/virtual/pryjin.php)...

Пружинный маятник (http://www.all-fizika.com/virtual/pryjin.php)

Опишем движение небольшого бруска массой m, расположенного на гладкой горизонтальной поверхности и прикрепленного к неподвижному упору с помощью легкой пружины жесткости k.

Рис.4.1. Пружинный маятник

 

Положение бруска будем описывать с помощью декартовой координаты x, начало отсчета которой совместим с положением, в котором пружина не деформирована. При отклонении бруска от положения равновесия на него будет действовать сила упругости пружины F, направленная к положению равновесия, ее модуль определяется законом Гука: F =- kx. На основании второго закона Ньютона и, пренебрегая трением, запишем уравнение, описывающее движение бруска: ,

или после преобразований:

Решение этого уравнения имеет вид:

где - циклическая частота собственных колебаний. Частота собственных колебаний

не зависит от их амплитуды при малой амплитуде (пока выполняется линейный закон Гука).Период колебаний бруска равен 

Полученные формулы для частоты и периода колебаний легко объяснимы: частота колебаний возрастает с ростом жесткости пружины и убывает при возрастании массы груза. Колебания, возникающие под действием внутренних возвращающих консервативных сил, называются свободными.

Рассмотрим теперь описание движения небольшого шарика массой m, подвешенного на легкой пружине жесткостью k (рис.).

Рис. 4.2. Вертикальный пружинный маятник

 

Направим ось Ox вертикально вниз, начало отсчета совместим с положением недеформированной пружины. В процессе движения на шарик действуют сила тяжести mg и сила упругости Fупр, модуль которой определяется законом Гука Fупр =- kx. Уравнение второго закона Ньютона в проекции на введенную ось имеет вид

Так как сила упругости зависит от координаты шарика (следовательно, не постоянна), то движение шарика не будет равноускоренным. Преобразуем уравнение (7)

Появившаяся в уравнении величина имеет наглядный смысл: она указывает положение равновесия шарика, в котором сила тяжести уравновешивается силой упругости . Теперь можно сместить начало отсчета оси координат, совместив его с положением равновесия. В этой измененной системе отсчета координата шарика равна , ускорение шарика и в новой системе отсчета остается прежним . Поэтому уравнение движения шарика в этой системе отсчета имеет вид, полностью совпадающий с уравнением гармонических колебаний

с частотой . Таким образом, постоянная сила, действующая в колебательной системе, не изменяет частоты колебания, а только смещает положение равновесия. Полное решение уравнения движения (9) нам известно, поэтому можно также записать и полное решение уравнения (7) в исходной системе отсчета

в котором произвольные постоянные A, B определяются из начальных условий.


Математический маятник.

(http://www.all-fizika.com/virtual/mayatnik.php http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/25.htm ).

Небольшой шарик, подвешенный на легкой нерастяжимой нити, способен совершать свободное колебательное движение (рис.).

Для описания движения маятника будем считать шарик материальной точкой, пренебрежем массой нити и сопротивлением воздуха. Такая модель называется математическим маятником.

 

Рис.4.3. Математический маятник


В качестве координаты, описывающей положение шарика, выберем угол отклонения нити от вертикали . Для описания изменения этой координаты удобно использовать основное уравнение динамики вращательного движения

где − момент инерции системы, − угловое ускорение тела (вторая производная от угла поворота), − суммарный момент внешних сил действующих на систему. На шарик действуют силы тяжести mg и натяжения нити. Момент силы натяжения нити относительно точки подвеса равен нулю, поэтому уравнение (1) для подвешенного шарика приобретает вид: или

 

Это уравнение описывает колебания маятника, но не является уравнением гармонических колебаний. Однако, если считать углы отклонения малыми (<100 ), можно воспользоваться приближенной формулойв этом приближении уравнение превращается в уравнение гармонических колебаний

где − круговая частота малых колебаний маятника. Решение этого уравнения ищется в виде

здесь − максимальное отклонение нити, то есть амплитуда колебаний. Для простоты будем считать, что начальная скорость шарика равна нулю.
Период малых колебаний маятника выражается через круговую частоту

Так как малые колебания математического маятника являются гармоническими, то их период не зависят от амплитуды. Этот факт был экспериментально отмечен еще Г. Галилеем. Отметим, что период колебаний математического маятника не зависит также от массы шарика.
Формула (6) может быть использована и используется для экспериментального определения ускорения свободного падения. Длина нити и период колебаний достаточно просто измерить экспериментально, затем с помощью формулы (6) можно рассчитать ускорение свободного падения.


Математический маятник с пружиной.

Рассмотрим еще один пример колебательной системы, являющейся «гибридом» математического и пружинного маятника (рис.4.4): 

Рис. 4.4. Математический маятник с пружиной

 

к шарику, подвешенному на нити длиной l, прикреплена легкая пружина так, что в положении равновесия нить маятника располагается вертикально (в этом случае пружина не деформирована). По-прежнему, положение маятника будем описывать с помощью угла отклонения , который будем считать малым. Уравнение динамики вращательного движения относительно точки подвеса для шарика будет иметь вид

где − момент инерции маятника, − угловое ускорение, − момент силы тяжести, − момент силы упругости. Считая угол отклонения малым, удлинение пружины можно представить в виде и при этом можно считать, что ось пружины все время остается горизонтальной. В этом же приближении можно положить л, . Поэтому уравнение (1) упрощается

или

Это уравнение является уравнением гармонических колебаний: ускорение  пропорционально смещения от положения равновесия. Круговая частота этих колебаний равна

 

Физический маятник (http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/25.htm)

Физическим маятником называется твердое тело, закрепленное на неподвижной горизонтальной ocи (оси подвеса), не проходящей через центр тяжести, и совершающее колебания относительно этой оси под действием силы тяжести. В отличие от математического маятника массу такого тела нельзя считать точечной.

Рис. 4.5. Физический маятник

 

При небольших углах отклонения (рис. 7.4) физический маятник так же совершает гармонические колебания. Будем считать, что вес физического маятника приложен к его центру тяжести в точке С. Силой, которая возвращает маятник в положение равновесия, в данном случае будет составляющая силы тяжести – сила F.

Знак минус в правой части означает то, что сила F направлена в сторону уменьшения угла. С учетом малости угла α

Для вывода закона движения математического и физического маятников используем основное уравнение динамики вращательного движения

. Момент силы: определить в явном виде нельзя. С учетом всех величин, входящих в исходное дифференциальное уравнение колебаний физического маятника имеет вид:

или

где

Решением этого уравнения является функция

Где - начальная фаза колебаний

Определим длину l математического, при которой период его колебаний равен периоду колебаний физического маятника, т.е.или

.
Из этого соотношения определяем:
Данная формула определяет приведенную длину физического маятника , т.е. длину такого математического маятника, период колебаний которого равен периоду колебаний данного физического маятника.

Конический маятник.

В коническом маятнике (рис.4.6) тело маятника (небольшое по размерам тело) вращается в горизонтальной плоскости. Угол, образуемый нитью подвеса с вертикалью, проведенной через точку подвеса, остается неизменным. Уравнение описывающее движение маятника имеет вид:

В проекциях на оси:

Рис.4.6. Конический маятник


отсюда . С другой стороны .
Отсюда получаем:

.

Для малых углов конуса; тогда период колебаний конического маятника

.

Крути́льный ма́ятник (также торсио́нный ма́ятник, враща́тельный ма́ятник) — механическая система, представляющая собой тело, подвешенное в поле тяжести на тонкой нити и обладающее лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

Рис. 4.7. Крутильный маятник

Если при повороте тела в нити возникает момент сил, пропорциональный углу поворота, то тело будет вращаться по гармоническому закону с периодом

,

где J— момент инерции тела, а k — вращательный коэффициент жёсткости маятника. Крутильный маятник представляет собой очень чувствительный механический прибор. Именно с помощью крутильного маятника изучается, например, гравитационное взаимодействие массивных тел в лаборатории и проверяется закон всемирного тяготения на субмиллиметровом масштабе.

Крутильным маятником является баланс — деталь балансирного механизма механических часов, вращательные колебания которой определяют точность их хода. В 2005 году было опубликовано сообщение о создании крутильного маятника на одной молекуле — одностенной углеродной нанотрубке (J. C. Meyer, M. Paillet and S. Roth, Science, 309, 1539 (2 September 2005)).

Существует много разновидностей механических колебательных систем, в которых используются силы упругих деформаций.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Телекоммуникаций и информатики

Федеральное агентство связи.. государственное образовательное учреждение.. высшего профессионального образования поволжский государственный университет..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Свободные колебания в системах с одной степенью свободы

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

А.Г. Глущенко, Е.П.Глущенко
Введение в теорию колебаний. Конспект лекций. – Самара: ГОУВПО ПГУТИ, 2013. – 198 с.     Настоящее издание представляет собой учебное пособие к образовательному

Колебания в биологических объектах
Таким образом, колебания охватывают огромную область физических явлений и технических процессов. Классификация колебаний по характеру взаимодействия с окружающей средой

Гармонические колебания
Гармоническое колебание —это колебание, при котором физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону

Аналитическое
Колебательный процесс описывается в виде периодической функции, например,

Метод фазовых траекторий
Метод описания колебаний путем построения траектории тражения системы в плоскости -

Траектория движения точки в плоскости называется фазовым портретом
Особенно просто выглядит фазовая траектория гармонического колебания, при котором координата и скорость описываются функциями 

Способы представления колебательных движений: Аналитический, табличный, графический, спектральный, векторные диаграммы, фазовый портрет
Гармонические колебания являются простейшей моделью колебательного движения достаточно часто встречающегося в действительности. Любое колебание может быть представлено как сумма гармонических ко

Сложение гармонических колебаний одного направления
Если колеблющееся система или тело участвует в нескольких колебательных процессах, тогда необходимо найти результирующее колебание, иными словами, колебания необходимо сложить. Сложим гармонические

Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
Рассмотрим материальную точку, участвующую в двух взаимно перпендикулярных колебаниях по осям X и Y. Она будет двигаться по некоторой криволинейной траектории, форма которой зависит как от соотноше

Спектральное представление колебательных процессов
  Обычной и естественной системой отсчета для нас является время. Мы наблюдаем, как развивается, то или иное событие во времени. Для наблюдения изменения во времени мгновенных значени

Зачем, собственно, нужно считать спектры сигналов?
Во-первых, это позволяет по-новому взглянуть на сигнал, лучше понять его природу, найти характерные частоты сигнала (если их несколько, то по виду самого сигнала это может быть затруднительно). Нап

Анализ сигнала не включающий определения фазовых соотношений между синусоидальными составляющими называется спектральным анализом
У частотной области есть свои плюсы. Частотная область гораздо удобнее в плане измерений. Те, кто занимаются беспроводной связью, заинтересованы в определении внеполосного и паразитного излучения.

Непериодические сигналы
Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Например, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой

Гауссов импульс. Колоколообразный (гауссовский) импульс определяется выражением
Во временной области он изображен на рис. 14 а. Условно длительность такого импульса определяют по уровню е-1/ 2

Спектр широкополосного случайного процесса. Белый шум
Случайный процесс может быть назван широкополосным, если эффективная полоса частот его спектральной плотности мощности сравнима со средней частотой этой полосы, либо эта полоса значительно шире пол

Спектральный анализ
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава среды, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая с

Непрерывные спектры дают тела, находящиеся в твердом, жидком состоянии, а также сильно сжатые газы
Полосатые спектры в отличие от линейчатых спектров создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Полосатые спектры имеют твердые тела.

Колебание жидкости в трубке
Рассмотрим еще один пример колебательной системы. Пусть в вертикальной  U-образной трубке находится вода (рис. 4.8).

Свободные колебания в контуре
Цепь (или часть другой цепи), состоящая из конденсатора и катушки индуктивности называется колебательным контуром. Пусть конденсатор зарядили до заряда qo и затем подклю

Плазменные колебания
В плазме возможно самопроизвольное смещение зарядов. Такое смещение зарядов вызовет колебательные движения зарядов. Рассмотрим упрощенный подход к решению задачи о нарушениbя квазинейтр

Фазовый портрет колебательной системы
В любой колебательной системе с одной степенью свободы смещение (t) и скорость меня

Положение равновесия в точке 0 на фазовой плоскости является особой точкой и называется особой точкой типа "центр"
Линейный осциллятор с затуханием. Диссипация энергии, обусловленная наличием потерь, оказывает принципиальное влияние на характер движения системы. Наиболее простые закономерно

Нелинейные колебания
С увеличением энергии возрастают амплитуды колебаний смещения и скорости

Затухающие механические колебания крутильного маятника
Свободные колебания реальных механических систем всегда затухают. Затухание возникает в основном из-за трения, сопротивления окружающей среды и возбуждения в ней упругих волн. Рассмотрим с

Период затухающих колебаний
. Если A(t) и А(t + Т) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответст­вующих моментам времени,

Добротность
Пниях логарифмического декремента добротность равна (т

Уравнение вынужденных колебаний и его решение. Резонанс
Потери механической энергии в любой колебательной системе из-за  наличия сил трения неизбежны, поэтому без «подкачки» энергии извне колебания будут затухающими. Существует несколько принципиа

Вынужденные электромагнитные колебания
Вынужденныминазываются такие колебания, которые происходят в колебательной системе под влиянием внешнего периодического воздействия.

Установление колебаний
Мы уже отмечали, что если приложить к покоящемуся маятнику гармоническую силу в момент времени t=0, то маятник начнет постепенно раскачиваться, как это качественно изображено на рис. 2.7а. У

Колебательные системы с двумя степенями свободы
  Связанные колебательные системы влияют друг на друга. Колебания таких систем уже не будут независимы, поскольку системы обмениваются энергией. Связь может быть обусловлена:

Колебания систем со многими степенями свободы
Основные идеи, сформулированные при рассмотрении колебаний систем с двумя степенями свободы, теперь могут быть с успехом использованы для анализа колебаний систем с тремя, четырьмя,

Колебания струны
Представим себе, что мы возбудили струну так, что по ней побежала поперечная упругая волна. Дойдя до закрепленного конца струны, волна отразится и побежит обратно. Тогда в любой точке струны встреч

Тоны и обертоны
Струна, оттянутая строго посередине, будет совершать колебания, показанные на рис. 8.3. Через каждые пол периода вся струна оказывается по разные стороны от положения равновесия. При этом на концах

Колебания воздушного столба
В духовых музыкальных инструментах (различных трубах) источником звука является колеблющийся столб воздуха, в котором, как и в струне, возникают стоячие волны. Его колебания возбуждаются вдуванием

Колебания струны, закрепленной с двух концов
Рис.8.7.   В силу граничных условий, заданных закреплением концов струны, уравнение стоячей волны при выбо

Параметрические колебания. Качели
Всем хорошо знакома и многими любима такая старинная забава как качели. Тренировкам на этом снаряде придает большое значение даже летчики и космонавты. Когда малыша, сидящего на качелях, раскачивае

Http://fizportal.ru/physics-book-47-1
http://jstonline.narod.ru/rsw/course_cont.htm#rsw_b0     Приложение 1. Основные характеристики звука Упругие волны в воздухе, имеющ

Закон Вебера-Фехнера. Диаграмма слуха
Определение громкости звука основано на психофизическом законе, установленном в 1846 году Э.-Г. Вебером, который заложил основы "психометрии", т.е. количественных измерений ощущений. Поск

Некоторые сведения о музыкальных инструментах
Деревянные деки музыкальных инструментов выполняют функции резонаторов, обеспечивая хорошие условия звучания. Частоты струнных инструментов не зависят от резонатора. Основная частота звука

Добротность различных колебательных систем
Интересно сопоставить основные характеристики различных колебательных систем (иногда их для краткости называют осцилляторами), наиболее распространенных в природе и технике. Примерами таких осцилля

Резонаторы
Резона́нс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты в

Основные формулы механических и электромагнитных колебаний
  Пружинный маятник Колебательный контур Механические величины Электрические величины

Метод комплексных амплитуд
Если в формуле Эйлера (1.53): под понимать фазу гармонических колебаний

Вынужденные колебания с произвольной частотой
Будем искать решение уравнения (2.10) в комплексном виде: (2.26)

Возбуждение стоячих волн в шнуре. Моды колебаний
Пусть кронштейн, к которому привязан левый конец шнура, совершает гармонические колебания где

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги