- •Центр инерции. Задача о движении двух тел.
- •2 Космо скорость - наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту
- •Принцип относительности Галилея: все механические явления в различных инерциальная система отсчёта
- •Движение в центральном поле сил.
- •Момент инерции.
- •Затухающие колебания.
- •Следствия из преобразований Лоренца.
- •Бегущая волна.Волновое уравнение.
- •Энергия упругой волны.
Движение в центральном поле сил.
Пусть
частица массы m движется в центральном
силовом поле. Момент сил, действующих
на частицу
момент импульса частицы
.
В силу сохранения
,
направление движения частицы должно
происходить перпендикулярно направлению
.
Частица совершает плоское движение.
Для описания движения воспользуемся
полярной системой координат:
,
– проекция моментов на ось Z сохраняется.
Т.к. силовое поле является центральным,
то оно консервативное, значит, для него
можно найти выражение для потенциальной
энергии U. При движении в консервативном
силовом поле сохраняется полная
механическая энергия.
, таким образом, задача по движению
частицы в центральном силовом поле
свелась к решению системы 2-ух
дифференциальных уравнений 1-ого
порядка. При этом мы используем момент
энергии и момент сил.
Момент инерции.
Момент
инерции
определяется как
,
если распределение массы равномерно,
то
заменяется на
– элементарный объём,
– плотность вещества.
.
Момент инерции:
однородного тонкого стержня массы
,
длины
относительно оси, проходящей через
центр масс и перпендикулярной стержню:
однородного тонкого стержня массы , длины относительно оси, проходящей через один из концов стержня:
тонкого кольца массы , радиуса R относительно оси симметрии, перпендикулярной плоскости кольца:
однородного диска (цилиндра) массы , радиуса R, высоты h относительно оси симметрии, перпендикулярной основанию:
.
Теорема
Штейнера:
момент инерции
относительно произвольной оси равен
сумме момента инерции
относительно оси, параллельной данной
и проходящей через центр инерции тела,
и произведения массы тала
на квадрат расстояния а между осями:
.
Затухающие колебания.
В
реальных физических системах всегда
действуют силы сопротивления, в
результате действия которых амплитуда
колебаний с течением времени убывает.
рассмотрим движение тела в вязкой
среде, когда силы сопротивления
противоположны скорости движения тела:
,
–
коэффициент сопротивления.
.
Подставим вместо
– дифференциальное уравнение 2-ого
порядка сводится к квадратному
алгебраическому уравнению
.
Колебательный процесс возможен, если
силы сопротивления достаточно малы.
Это означает, что должно выполняться
условие
.
В этом случае
.
Следовательно, общим решением нашего
уравнения будет функция
– кинематический закон затухающих
колебаний. Можно сказать, что наблюдаются
гармонические колебания с частотой
,
амплитуда же колебаний убывает по
экспоненциальному закону
.
Скорость затухания определяется
величиной коэффициента затухания
.
Затухание характеризуется также
декрементом затухания, который показывает
во сколько раз уменьшилась амплитуда
колебаний за время, равное периоду
:
.
Логарифм этого выражения называют
логарифмическим декрементом затухания:
.
В затухающих системах используется
также такая величина как добротность:
.
Вынужденными
называются такие колебания,
которые возникают в колебательной
системе под действием внешней периодически
изменяющейся силы (вынуждающая сила).
Пусть вынуждающая сила меняется по
гармоническому закону
.
С учётом сил сопротивления и упругости
получим динамическое уравнение движения
системы:
Предположим, что система совершает
гармонические колебания с частотой
,
отставая по фазе от вынуждающей силы
на
.
Находим 1-ую и 2-ую производные и
подставляем в динамическое уравнение
движения системы:
.
В левой части стоит сумма 3-х колебаний
одинаковой частоты, сдвинутой по фазе
и с различными амплитудами. При
фаза результирующих колебаний должна
равняться 0. С помощью векторной диаграммы
определили амплитуду результирующих
колебаний
.
Начальная
фаза
определена условием:
.
В
отличие от гармонических и затухающих
колебаний частота вынужденных колебаний
не определяется свойствами системы, а
только частотой вынуждающей силы. При
некоторой определённой для данной
системы частоте
,
амплитуда достигает максимального
значения. Колебательная система
оказывается особенно отзывчивой на
действие вынуждающей силы при этой
частоте. Это явление называется
резонансом, а частота – резонансной
частотой.
,
.
