1. Які механізми обмеження амплітуди вимушених коливань у режимі резонансу Вам відомі?

В реальних системах нескінченне секулярне зростання коливань не спостерігається. Воно обмежується за рахунок наявності дисипації або нелінійності. У випадку точного резонансу лінійне зростання амплітуди з часом спостерігається лише в початкові моменти (при ), після чого амплітуда поступово встановлюється на рівні, обернено пропорційному параметру дисипації.

2. Коли рух коливної системи можна аналізувати методом повільних амплітуд?

При використанні методу повільних амплітуд припускають, що додавання малих доданків у рівняння лінійного консервативного осцилятора мало змінює його розв'язок. Ця мала зміна розв'язку полягає в тому, що амплітуда A стає повільною функцією часу, тобто її відносна зміна за період коливань із частотою ω₀ є малою: Додавши таку саму умову для першої похідної dA/dt і знехтувавши коефіцієнтом 2 у сильній нерівності, остаточно отримаємо умову для повільної амплітуди:

Рух коливної системи можна аналізувати методом повільних амплітуд тоді, коли зміна її повної енергії за період незрівнянно мала в порівнянні із її середнім за період значенням, і швидкість зміни енергії також є малою в порівнянні із зміною енергії.

Математичне формулювання: .

3. Перерахуйте можливі типи особливих точок на фазовому портреті лінійної системи з одним ступенем вільності.

Особливими (стаціонарними, нерухомими) точками фазової площини називаються точки x₀=const, які задовольняють відповідне рівняння руху. Для рівняння лінійного осцилятора ( ) особливою точкою буде, очевидно, точка х=0. Але її характер залежить від співвідношення між параметрами рівняння. Сідло ( ), центр ( ), стійкий фокус ( ), нестійкий фокус ( ), стійкий вузол ( ), нестійкий вузол ( ).

4. В чому полягає параметричне наближення при аналізі руху нелінійних неавтономних осциляторів?

Параметричне наближення полягає в тому, що коливання неавтономного нелінійного осцилятора не впливають на режим накачування, тобто система не може сама змінити параметри деякого власного елемента. Іншими словами, розгляд зміни деякого параметра в системі, яка не залежить від процесів, що безпосередньо відбуваються в системі, називається параметричним наближенням.

5. Назвіть основні особливості вільних коливань нелінійних осциляторів (у порівнянні з лінійними).

Присутність вищих гармонік (ангармонізм), залежність власної частоти коливань від амплітуди коливань (неізохронність).

6. Назвіть основні особливості вимушених коливань нелінійних осциляторів під дією гармонічної сили (в порівнянні з лінійними).

У лінійному осциляторі під дією зовнішньої гармонічної сили можуть виникати биття між вільною та вимушеною складовими коливань. У нелінійному осциляторі процес установлення коливань відбувається значно складніше. Однак, якщо амплітуда зовнішньої сили буде зростати плавно (у масштабі часу 1/δ), то в системі існуватимуть лише "суто вимушені" коливання. У лінійного консервативного осцилятора амплітуда коливань прямувала при резонансі до нескінченності. У даному випадку вона виявляється обмеженою: механізм обмеження коливань у даному разі пов'язаний з нелінійністю, а точніше, з неізохронністю системи, а власне резонанс може відбуватись не лише на головній моді але і на кратних частотах. У випадку нелінійного осцилятора проявляється ефект гістерезису.

1. Механізм обмеження коливань у даному разі пов’язаний з неізохронністю системи.

2. В основі ефекту гістерезису лежить неізохронність коливань нелінійного осцилятора. Справді, першопричина гістерезису - наявність двох стійких станів системи (двох різних

значень амплітуди коливань) при одній і тій самій частоті зовнішньої сили. Один із них фактично відповідає лінійним коливанням з малою амплітудою, інший - суттєво нелінійним коливанням з великою амплітудою, коли за рахунок неізохронності власна частота підстроюється до частоти зовнішньої сили.

3. Врахування ефектів обумовленими ангармонізмом призводить до появи резонансу не лише на частоті p≈ω₀, але й на частотах p≈ω₀/2 та p≈ω₀/3. У цих випадках спочатку нелінійні доданки породжують відповідну (другу або третю) гармоніку зовнішньої сили, а потім вона збуджує резонансні коливання системи.

4. Врахування наявності вільних коливань може призвести до появи резонансу на частотах p≈2ω₀ та p≈3ω₀. Взаємодія власних коливань з частотою ω₀ із коливаннями на частоті зовнішньої сили на нелінійності призведе до появи комбінаційних частот, одна з яких може виявитися рівною ω₀. Тоді для коливань з частотою ω₀ у системі з’являється позитивний зворотний зв’язок, що компенсує дисипацію, і вони можуть підтримуватись як завгодно довго.