- •Колебания Гармонические колебания
- •Динамика гармонических колебаний
- •Грузик на пружине
- •Математический маятник
- •Физический маятник
- •Общие выводы
- •Энергия гармонического осциллятора
- •Сложение гармонических колебаний
- •Затухающие колебания
- •Вынужденные колебания
- •Резонанс
- •Энергия вынужденных колебаний
Затухающие колебания
Уравнение затухающих колебаний
В любой реальной колебательной системе есть силы сопротивления (трения), действие которых приводит к уменьшению амплитуды и энергии колебаний. Такие свободные колебания называют затухающими.
Будем исходить из основного уравнения
динамики, полагая, что на частицу массы
m действует кроме
квазиупругой силы
сила сопротивления, пропорциональная
скорости частицы,
,
где r — коэффициент
сопротивления (величина размерная).
Тогда уравнение движения будет иметь
вид
,
(26)
или
,
(27)
где
.
Отметим, что 0
— это частота свободных колебаний без
трения. Частоту 0
называют собственной частотой
осциллятора, а —
коэффициентом затухания.
Уравнение (27) при условии 0 описывает затухающие колебания. Его решение имеет вид
(28)
где а0 и
— постоянные, определяемые начальными
условиями x(0)
= x0
и
—
частота затухающих колебаний:
(29)
График функции (28) показан на рис.13 для
случая x0
0 и
0. Видно, что эта
функция не периодическая. Тем не менее,
величину
принято называть периодом затухающих
колебаний:
.
(30)
Множитель
перед
косинусом в (28) называют амплитудой
затухающих колебаний (пунктир на рис.
13).
Рис.13
Энергия затухающих колебаний
Эта энергия складывается из потенциальной
и кинетической:
.
После подстановки сюда выражений
и
,
соответствующих затухающим колебаниям
(28), получим зависимость
,
которая графически показана на рис.14.
Уменьшение энергии колебаний обусловлено
работой силы сопротивления. Мощность
этой силы равна
,
тогда
Таким образом,
0, кроме тех моментов, когда
.
При малом затухании ( 0) зависимость E(t) становится практически экспоненциальной:
.
(31)
Отсюда убыль энергии в единицу времени
.
(31*)
Рис.14
Характеристики затухания
Кроме коэффициента затухание характеризуют и другими величинами:
1. Время релаксации — это время, за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз. Из выражения видно, что
(32)
2. Логарифмический декремент затухания. Его определяют как
(33)
где Т — период затухающих колебаний. Из предыдущих двух формул следует, что
,
(34)
где
— число колебаний за время ,
в течение которого амплитуда уменьшается
в е раз.
При малом затухании ( 0) характеризует относительное уменьшение амплитуды колебаний за период. Это следует из (33), поскольку в этом случае
.
(35)
Коме того, при
0 относительное
уменьшение энергии колебаний за период,
согласно (31*), равно
,
откуда
.
(36)
3. Добротность осциллятора. По определению
.
(37)
При малом затухании ( 0), когда справедливо (36),
.
(38)
В заключение отметим, что при достаточно большом затухании ( 0) система совершает апериодическое движение: выведенная из положения равновесия, она возвращается в это положение, не совершая колебаний.
