Потенциальная и кинетическая энергии

Установим изменение потенциальной и кинетической энергий колеблющейся системы. Известно, что потенциальная энергия упруго деформированного тела равна , где k - коэффициент упругости, х - смещение; откуда для потенциальной энергии колебаний находим

. (7)

Кинетическая энергия , что, согласно (2) и (5), в нашем случае будет

. (8)

Анализ (7) и (8) показывает, что когда одна из энергий или увеличивается, то другая уменьшается. Полная же энергия

E=W_n+W_k=kA²/2 (9)

остается величиной постоянной и для пружинного маятника, (см. рис. 1), она определяется работой, совершенной внешней силой по сжатию или растяжению пружины. Итак, мы рассмотрели свободные или собственные колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того, как она была выведена из положения равновесия.

Но в реальных условиях всегда на механические системы действуют силы трения из-за чего свободные колебания переходят в затухающие, которые будут рассмотрены в параграфе 8.

Векторная диаграмма гармонического колебания

Гармоническое колебание

можно представить в виде проекции вектора , вращающегося против хода часовой стрелки с угловой скоростью, равной круговой частоте . Из рис. 3 следует, что проекция вектора на направление ОХ будет .

Комплексная форма представления колебаний

Согласно формуле Эйлера для комплексных чисел

, где .

Поэтому уравнение гармонического колебания (3) можно записать в экспоненциальной форме:

Вещественная часть представляет собой смещение х при гармоническом колебании .

Обычно обозначение опускают и пишут так

.

5.Сложение одинаково направленных колебаний

Рассмотрим сложение двух гармонических колебаний одинаковой частоты, смещения которых и .

Используем векторную диаграмму, рис. 4; откуда следует, что где

.

Пусть , тогда

, т.е. результирующее колебание не будет гармоническим. Если колебания мало отличаются по частоте, например, , , то результирующее колебание можно рассматривать как почти гармоническое колебание с частотой и медленно меняющейся амплитудой . Такие периодические изменения амплитуды называются биениями.

6.1. Пусть и , тогда траекторией будет прямая линия, рис. 5: .

6.2. При и , траекторией будет эллипс, ( рис. 6):

(x²/A²)+(y²/B²)=1.

При разных частотах складывающихся колебаний результирующие траектории будут иметь более сложный вид.

Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два взаимно перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу.

Гармонические осцилляторы

Математический маятник

Это материальная точка, подвешенная на невесомой, нерастяжимой нити.

Хорошим приближением к математическому маятнику служит небольшой тяжелый шарик, подвешенный на длинной тонкой нити, рис. 7. Тангенциальное ускорение а, возникает под действием тангенциальной силы . Для малых можно положить и .

Из второго закона Ньютона следует, что , или .

Деля правую и левую части этого уравнения на l, получим:

, (10)

где . Решением его для малых φ будет:

, (11)

где

. (12)

Таким образом, период колебаний математического маятника T₀, не зависит от его массы и амплитуды колебаний. Измерения T₀ дают возможность с большой точностью определять g , что позволяет проводить гравитометрическую разведку и определять форму фигуры планеты.

Математический маятник сыграл большую роль в открытии закона сохранения энергии и в создании общей теории относительности, основным положением которой является равенство массы гравитационной и инертной.

Пружинный маятник

Это груз массой т , подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий колебания около положения равновесия, рис. 1. Он был рассмотрен в параграфе 1. Для него и (13)

7.3. Физический маятник

С учетом этого получается дифференциальное уравнение . Разделив правую и левую части последнего уравнения на момент инерции тела J, найдем: ,

где . (14)

Решением его будет .

Период колебания , (15)

где L = J/ml - приведенная длина физического маятника; L - это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебания данного физического маятника.

Точка О' , расположенная на расстоянии L от точки О (рис. 8), через которую проходит ось подвеса физического маятника, называется его центром качаний. Периоды колебаний относительно точек О и О' совпадают.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: