- •Физика колебательных процессов
- •Часть 1
- •Введение
- •1. Требования к выполнению курсового проекта (работы)
- •Организация курсового проектирования (технология выполнения). Структура и содержание курсового проекта
- •1.2. Общие требования к пояснительной записке
- •1.3. Требования, предъявляемые к графической части
- •Методические указания к выполнению курсового проекта (работы)
- •2.1. Исходные положения. Теория и типовые задачи в пояснительной записке
- •2.1 1. Гармонические колебания
- •2.1.2. Математический маятник
- •2.1.3. Пружинный маятник
- •2.1.4. Комбинированные осцилляторы
- •2.1.5. Колебания в электрических цепях
- •2.1.6. Колебания в электростатическом поле
- •2.1.7. Колебания в магнитном поле
- •2.1.8. Вынужденные колебания. Резонанс
- •2.1.9. Рекомендации по решению задач
- •2.1.10. Сложение колебаний
- •2.1.11. Затухающие колебания
- •2.1.12. Релаксационные колебания
- •2.1.13. Вынужденные колебания. Резонанс смещений, скоростей и ускорений
- •2.1.14. Ангармонический осциллятор
- •2.1.15. Модулированные колебания
- •2.1.16. Энергетический подход к нахождению периода колебаний
- •2.1.17. Добротность
- •2.1.18. Фазовые траектории
- •2.1.18 А. Свойства фазовых траекторий
- •2.1.19. Спектры колебаний
- •2.1.20. Нелинейные колебания
- •Содержание
2.1.3. Пружинный маятник
В
качестве другого примера гармонического
осциллятора рассмотрим пружинный
маятник – материальную точку массой
m,
прикрепленную к одному концу идеальной
невесомой пружины жесткостью к,
другой конец которой закреплен. Длина
пружины в нерастянутом положении равна
.
Пусть
на материальную точку массой m
действует, кроме силы упругости пружины
,
постоянные силы
,
,
… , не зависящие от удлинения пружины,
ни от кинематических характеристик
движения материальной точки (например,
ее скорости). В положении равновесия
=
,
т.е. пружина будет расположена вдоль равнодействующей силы и растянута (или сжата) на величину
Δl
=
.
(49)
Если теперь вывести пружину из положения равновесия, растянув или сжав ее на величину x, отсчитываемую от положения равновесия, то равнодействующая сила не изменится, а сила упругости увеличится на величину kx. В результате этого появиться результирующая сила, направленная в сторону положения равновесия (возвращающая сила) и равная
Fx = - kx
Отсюда видно, что возвращающая сила линейно зависит от смещения x, причем коэффициент возвращающей силы равен жесткости пружины
k = к,
а это означает, что пружинный маятник будет совершать гармонические колебания с частотой
ω0 = (50)
и периодом
T = 2π
около положения равновесия, в котором пружина растянута на величину, определяемую выражением (49).
Обратим внимание, что собственная частота (и период) колебаний пружинного маятника определяется лишь жесткостью пружины и массой маятника и не зависит от внешних сил , , … , действующих на него, от которых зависит лишь растяжение пружины в положении равновесия. Поэтому, где бы ни находился пружинный маятник (в шахте, на вершине горы или на борту спутника) и как бы ни двигалась точка закрепления пружины, его частота и период колебаний будут всегда одними и теми же.
Коэффициент
жесткости характеризует пружину в целом
и зависит как от свойств материала, из
которого она изготовлена, так и от ее
геометрических характеристик. Некоторое
представление об этих зависимостях
можно получить на основании следующей
модели. Заменим пружину стержнем длины
L
и сечения S.
Пусть на стержень действует деформирующая
(растягивающая или сжимающая) сила F.
Она создает в стержне механическое
напряжение σ
=
и удлиняет его на х.
Относительное удлинение составляет
ε =
.
Закон Гука представим в виде ε
=
.
Здесь Е – модуль Юнга. Сравнивая с F
= kx,
получим k
=
.
Жесткость пружины обратно пропорциональна
ее длине.
2.1.4. Комбинированные осцилляторы
Комбинированный осциллятор - маятник, находящийся под воздействием нескольких сил различной физической природы, обеспечивающих возвращение отклоненного тела к одному и тому же положению устойчивого равновесия. Будем считать, что осциллятор совершает одномерные движения. Поэтому комбинацию математического маятника и пружинного маятника, показанную на рис. 6, рассматривать не будем, поскольку здесь меняются как угол отклонения, так и длина маятника. Это колебания с двумя степенями свободы.
Задача 2. Положительный заряд q сосредоточен на материальной точке массой m, которая подвешена в вакууме на невесомой нерастяжимой непроводящей нити длины l на высоте h над провод-
Рис.6. Математический маятник на упругом подвесе
ником (электропроводность которого бесконечна), занимающим нижнее полупространство. Граница раздела вакуума и металла – плоскость. Материальную точку отклоняют на малый угол от положения устойчивого равновесия. Найти собственную частоту колебаний такого комбинированного осциллятора.
Рис.7. Заряженная материальная точка, колеблющаяся над проводящим полупространством.
AB
= BC
= h
; AD
= Δh
; l
=
-
длина нити;
-
радиус-вектор, проведенный из точки О
в точку Р.
Решение
На точку действуют сила тяжести, сила натяжения нити и сила электростатического (кулоновского) взаимодействия (рис. 7).
Рассмотрим подробнее силу кулоновского взаимодействия Fk.
Заряд +q перераспределяет свободные электроны проводника. В результате на поверхности раздела появляется отрицательный заряд по величине равный заряду q. Между исходным зарядом и наведенными зарядами возникает электростатическое взаимодействие. При колебаниях поверхностные заряды будут перемещаться, возникнут токи, что приведет к выделению джоулева тепла и магнитному взаимодействию. Однако, в хорошем металлическом проводнике (с бесконечной электропроводностью) при малых скоростях движения зарядов этими явлениями можно пренебречь.
Величину
и направление кулоновской силы можно
найти из сравнения картины силовых
линий электрического диполя и картины
силовых линий заряда, подвешенного над
идеальным проводником. Силовые линии
входят в проводник под прямым углом и
их густота тем больше, чем ближе точка
на поверхности проводника к точке B,
лежащей на оси симметрии картины. Таким
образом, картина силовых линий для
рассматриваемого случая аналогична
картине силовых линий диполя с расстоянием
между положительным и отрицательным
точечными зарядами равным 2h.
Тогда Fk
=
для оси симметрии. Это поле неоднородно,
но для малых колебаний момент кулоновской
силы, как и момент силы тяжести можно
считать пропорциональным углу α.
При отклонении нити на угол α материальная точка поднимается на высоту Δh = l(1 – cos α). Это приводит к изменению величины силы Fk:
Fk
=
.
Однако, при малых колебаниях, когда
<<
1 т.е.
<< 1
силу кулоновского взаимодействия заданного заряда и наведенных поверхностных зарядов можно считать неизменной.
Момент инерции материальной точки (относительно оси вращения О параллельной поверхности идеального проводника) J0 = ml2, l – длина нити. Момент сил, действующих на материальную точку
N = ( mg + Fk )lsinα . (51)
Здесь PD = l sinα - плечо действующих сил.
Связь между векторами скорости, угловой скорости и вектором направленным от центра вращения по радиусу к материальной точке задается соотношением:
=
[
,
]
Если
скорость материальной точки направлена
влево, то угловая скорость
и момент импульса
= J0
направлены против момента сил
.
Поэтому основное уравнение динамики
вращательного движения (уравнение
моментов) запишется в виде
J0α" = - (mg + Fk) lsinα, (52)
где
α" = ε =
угловое ускорение.
Тогда из (52) для sin α ≈α получаем
α"
+
lα
= 0
В соответствии со стандартными обозначениями ω02 = , где ω0 собственная частота. Если бы заряда на материальной точке не было, то ω012 = mg/J0 . Если бы можно было «отключить» силу тяжести, то ω022 = Fk/J0 . Поэтому мы можем записать ω02 = ω012 + ω022 . Если бы возвращающий момент обеспечивали n сил различной физической природы, то
ω02
=
.
(53)
Разумеется, это соотношение верно только для малых колебаний.
