2b=r/m, =k/m (10.15)
перепишем уравнение (10.14) следующим образом:
(10.16)
Это дифференциальное уравнение описывает затухающие колебания системы.
Колебания, описываемые уравнениями (10.14) и (10.16), являются свободными (или собственными): выведенная из положения равновесия или получившая толчок система совершает колебания, будучи предоставленной самой себе. Отметим, что w0 представляет собой ту частоту, с которой совершались бы свободные колебания в отсутствие сопротивления среды (при r=0). Эту частоту называют собственной частотой системы.
При неслишком большом затухании общее решение дифференциального уравнения (10.38) имеет вид
х=а0e-btcos(wt+a) (10.17)
Здесь а0 и a - начальная амплитуда и начальная фаза колебаний, а величина w, определяется формулой
w= (10.18)
На рис.10.4 дан график функции (10.17). Пунктирными линиями показаны пределы, в которых находится смещение колеблющейся точки х.
В соответствии с видом функции (10.17) движение системы можно рассматривать как гармоническое колебание частоты w с амплитудой, изменяющейся по закону а(t)=а0е-bt. Верхняя из пунктирных кривых на рис. 10.44 дает график функции а(t), причем величина а0 представляет собой амплитуду в начальный момент времени. Начальное смещение х0 зависит, кроме а0, также от начальной фазы a:
х0=а0 cosa.
Скорость затухания колебаний определяется величиной b=r/2m, которую называют коэффициентом затухания. Найдем время t, за которое амплитуда уменьшается в е раз.
Согласно формуле
T=,
период затухающих колебаний равен
T= (10.19)
При незначительном сопротивлении среды (b2<< ) период колебаний практически равен T0=2p/w0. С ростом коэффициента затухания период колебаний увеличивается.
Отношение значений амплитуд, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, равно
.
Это отношение называют декрементом затухания, а его логарифм – логарифмическим декрементом затухания:
(10.20)
Для характеристики колебательной системы обычно используется логарифмический декремент затухания l. Выразив b через l и Т, можно закон убывания амплитуды со временем записать в виде
а=а0.
За время t, за которое амплитуда уменьшается в е раз, система успевает совершить Ne=t/T колебаний. Из условия =е-1 получается, что . Следовательно, логарифмический декремент затухания обратен по величине числу колебаний, совершаемых за то время, за которое амплитуда уменьшается в е раз.
Для характеристики колебательной системы часто употребляется также величина
Q= (10.21)
называемая добротностью колебательной системы. Как видно из ее определения, добротность пропорциональна числу колебаний Ne, совершаемых системой за время t, за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз.