Уравнение гармонического осциллятора пружинного маятника. Закон движения гармонического осциллятора

2a. Пространство. Время. Движение Фейнман Ричард Филлипс

Глава 21 ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Глава 21

ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР

§ 1. Линейные дифференциальные уравнения

§ 4. Начальные условия

§ 1. Линейные дифференциальные уравнения

Обычно физику как науку делят на несколько разделов: механику, электричество и г. п., и мы «проходим» эти разделы один за другим. Сейчас, например, мы «проходим» в основном механику. Но то и дело происходят странные вещи: переходя к новым разделам физики и даже к другим наукам, мы сталкиваемся с уравнениями, почти не отличающимися от уже изученных нами ранее. Таким образом, многие явления имеют аналогию в совсем других областях науки. Простейший пример: распространение звуковых волн во многом похоже на распространение световых волн. Если мы достаточно подробно изучим акустику, то обнаружим потом, что «прошли» довольно большую часть оптики. Таким образом, изучение явлений в одной области физики может оказаться полезным при изучении других ее разделов. Хорошо с самого начала предвидеть такое возможное «расширение рамок раздела», иначе могут возникнуть недоумения, почему мы тратим столько времени и сил на изучение небольшой задачи механики.

Гармонический осциллятор, к изучению которого мы сейчас переходим, будет встречаться нам почти всюду; хотя мы начнем с чисто механических примеров грузика на пружинке, малых отклонений маятника или каких-то других механических устройств, на самом деле мы будем изучать некое дифференциальное уравнение. Это уравнение непрестанно встречается в физике и в других науках и фактически описывает столь многие явления, что, право же, стоит того, чтобы изучить его получше. Такое уравнение описывает колебания грузика на пружинке, колебания заряда, текущего взад и вперед по электрической цепи, колебания камертона, порождающие звуковые волны, аналогичные колебания электронов в атоме, порождающие световые волны. Добавьте сюда уравнения, описывающие действия регуляторов, например поддерживающих заданную температуру термостата, сложные взаимодействия в химических реакциях и (уже совсем неожиданно) уравнения, относящиеся к росту колонии бактерий, которых одновременно и кормят и травят ядом, или к размножению лис, питающихся кроликами, которые в свою очередь едят траву, и т. д. Мы привели очень неполный список явлений, которые описываются почти теми же уравнениями, что и механический осциллятор. Эти уравнения называются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Это уравнения, состоящие из суммы нескольких членов, каждый из которых представляет собой производную зависимой величины по независимой, умноженную на постоянный коэффициент. Таким образом,

называется линейным дифференциальным уравнением n-го порядка с постоянными коэффициентами (все а n - постоянные).

§ 2. Гармонический осциллятор

Пожалуй, простейшей механической системой, движение которой описывается линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами, является масса на пружинке. После того как к пружинке подвесят грузик, она немного растянется, чтобы уравновесить силу тяжести. Проследим теперь за вертикальными отклонениями массы от положения равновесия (фиг. 21.1).

Фиг. 21.1. Грузик, подвешенный на пружинке.

Простой пример гармонического осциллятора.

Отклонения вверх от положения равновесия мы обозначим через х и предположим, что имеем дело с абсолютно упругой пружиной. В этом случае противодействующие растяжению силы прямо пропорциональны растяжению. Это означает, что сила равна -kx (знак минус напоминает нам, что сила противодействует смещениям). Таким образом, умноженное на массу ускорение должно быть равно -kx

m(d 2 x/dt 2)=-kx. (21.2)

Для простоты предположим, что вышло так (или мы нужным образом изменили систему единиц), что k/m = 1. Нам предстоит решить уравнение

d 2 x/dt 2 =-x. (21.3)

После этого мы вернемся к уравнению (21.2), в котором k и m содержатся явно.

Мы уже сталкивались с уравнением (21.3), когда только начинали изучать механику. Мы решили его численно [см. вып. 1, уравнение (9.12)], чтобы найти движение. Численным интегрированием мы нашли кривую (см. фиг. 9.4, вып. 1), которая показывает, что если частица mв начальный момент выведена из равновесия, но покоится, то она возвращается к положению равновесия. Мы не следили за частицей после того, как она достигла положения равновесия, но ясно, что она на этом не остановится, а будет колебаться (осциллировать). При численном интегрировании мы нашли время возврата в точку равновесия: t= 1,570. Продолжительность полного цикла в четыре раза больше: t 0 =6,28 «сек». Все это мы нашли численным интегрированием, потому что лучше решать не умели. Но математики дали в наше распоряжение некую функцию, которая, если ее продифференцировать дважды, переходит в себя, умножившись на -1. (Можно, конечно, заняться прямым вычислением таких функций, но это много труднее, чем просто узнать ответ.)

Эта функция есть: x=cost. Продифференцируем ее: dx/dt=-sint, a d 2 x/dt 2 =-wt=-x. В начальный момент t=0, x=1, а начальная скорость равна нулю; это как раз те предположения, которые мы делали при численном интегрировании. Теперь, зная, что x=cost, найдем точное значение времени, при котором z=0. Ответ: t=p/2, или 1,57108. Мы ошиблись раньше в последнем знаке, потому что численное интегрирование было приближенным, но ошибка очень мала!

Чтобы продвинуться дальше, вернемся к системе единиц, где время измеряется в настоящих секундах. Что будет решением в этом случае? Может быть, мы учтем постоянные k и т, умножив на соответствующий множитель cost? Попробуем. Пусть x=Acost, тогда dx/dt=-Asint и d 2 t/dt 2 =-Acost=-x. К нашему огорчению, мы не преуспели в решении уравнения (21.2), а снова вернулись к (21.3). Зато мы открыли важнейшее свойство линейных дифференциальных уравнений: если умножить решение уравнения на постоянную, то мы снова получим решение. Математически ясно - почему. Если х есть решение уравнения, то после умножения обеих частей уравнения на А производные тоже умножатся на A и поэтому Ах так же хорошо удовлетворит уравнению, как и х. Послушаем, что скажет по этому поводу физик. Если грузик растянет пружинку вдвое больше прежнего, то вдвое возрастет сила, вдвое возрастет ускорение, в два раза больше прежней будет приобретенная скорость и за то же самое время грузик пройдет вдвое большее расстояние. Но это вдвое большее расстояние - как раз то самое расстояние, которое надо пройти грузику до положения равновесия. Таким образом, чтобы достичь равновесия, требуется столько же времени и оно не зависит от начального смещения. Иначе говоря, если движение описывается линейным уравнением, то независимо от «силы» оно будет развиваться во времени одинаковым образом.

Ошибка пошла нам на пользу - мы узнали, что, умножив решение на постоянную, мы получим решение прежнего уравнения. После нескольких проб и ошибок можно прийти к мысли, что вместо манипуляций с х надо изменить шкалу времени. Иначе говоря, уравнение (21.2) должно иметь решение вида

x=cosw 0 t. (21.4)

(Здесь w 0 - вовсе не угловая скорость вращающегося тела, но нам не хватит всех алфавитов, если каждую величину обозначать особой буквой.) Мы снабдили здесь w индексом 0, потому что нам предстоит встретить еще много всяких омег: запомним, что w 0 соответствует естественному движению осциллятора. Попытка использовать (21.4) в качестве решения более успешна, потому что dx/dt=- (w 0 sinw 0 t и d 2 x/dt 2 =-w 2 0 w sw 0 t=-w 2 0 x. Наконец-то мы решили то уравнение, которое и хотели решить. Это уравнение совпадает с (21.2), если w 2 0 =k/m.

Теперь нужно понять физический смысл w 0 . Мы знаем, что косинус «повторяется» после того, как угол изменится на 2я. Поэтому x=cosw 0 t будет периодическим движением; полный цикл этого движения соответствует изменению «угла» на 2p. Величину w 0 t часто называют фазой движения. Чтобы изменить w 0 t на 2p, нужно изменить t на t 0 (период полного колебания); конечно, t 0 находится из уравнения w 0 t 0 = 2p. Это значит, что w 0 t 0 нужно вычислять для одного цикла, и все будет повторяться, если увеличить t на t 0 ; в этом случае мы увеличим фазу на 2p. Таким образом,

Значит, чем тяжелее грузик, тем медленнее пружинка будет колебаться взад и вперед. Инерция в этом случае будет больше, и если сила не изменится, то ей понадобится большее время для разгона и торможения груза. Если же взять пружинку пожестче, то движение должно происходить быстрее; и в самом деле, период уменьшается с увеличением жесткости пружины.

Заметим теперь, что период колебаний массы на пружинке не зависит от того, как колебания начинаются. Для пружинки как будто безразлично, насколько мы ее растянем. Уравнение движения (21.2) определяет период колебаний, но ничего не говорит об амплитуде колебания. Амплитуду колебания, конечно, определить можно, и мы сейчас займемся этим, но для этого надо задать начальные условия.

Дело в том, что мы еще не нашли самого общего решения уравнения (21.2). Имеется несколько видов решений. Решение x=acosw 0 t соответствует случаю, когда в начальный момент пружинка растянута, а скорость ее равна нулю. Можно иначе заставить пружинку двигаться, например улучить момент, когда уравновешенная пружинка покоится (х=0), и резко ударить по грузику; это будет означать, что в момент t=0 пружинке сообщена какая-то скорость. Такому движению будет соответствовать другое решение (21.2) - косинус нужно заменить на синус. Бросим в косинус еще один камень: если x=cosw 0 t-решение, то, войдя в комнату, где качается пружинка, в тот момент (назовем его «t=0»), когда грузик проходит через положение равновесия (x=0), мы будем вынуждены заменить это решение другим. Следовательно, x=cosw 0 t не может быть общим решением; общее решение должно допускать, так сказать, перемещение начала отсчета времени. Таким свойством обладает, например, решение x=acosw 0 (t-t 1 ), где t 1 - какая-то постоянная. Далее, можно разложить

cos(w 0 t+D )=cosw 0 t cosD -sinw 0 t sinD и записать

x=A cosw 0 t +В sinw 0 t ,

где A=acosD и В=- asinD . Каждую из этих форм можно использовать для записи общего решения (21.2): любое из существующих в мире решений дифференциального уравнения

d 2 x/dt 2 =-w 2 0 x можно записать в виде

x=acosw 0 (t-t 1 ), (21.6а)

x=acos (w 0 t+D ), (21.6б)

х=A cosw 0 t+B sinw 0 t. (21.6в)

Некоторые из встречающихся в (21.6) величин имеют названия: w 0 называют угловой частотой; это число радианов, на которое фаза изменяется за 1 сек. Она определяется дифференциальным уравнением. Другие величины уравнением не определяются, а зависят от начальных условий. Постоянная а служит мерой максимального отклонения груза и называется амплитудой колебания. Постоянную D иногда называют фазой колебания, но здесь возможны недоразумения, потому что другие называют фазой w 0 t+D и говорят, что фаза зависит от времени. Можно сказать, что D - это сдвиг фазы по сравнению с некоторой, принимаемой за нуль. Не будем спорить о словах. Разным D соответствуют движения с разными фазами. Вот это верно, а называть ли D фазой или нет - уже другой вопрос.

§ 3. Гармоническое движение и движение по окружности

Косинус в решении уравнения (21.2) наводит на мысль, что гармоническое движение имеет какое-то отношение к движению по окружности. Это сравнение, конечно, искусственное, потому что в линейном движении неоткуда взяться окружности: грузик движется строго вверх и вниз. Можно оправдаться тем, что мы уже решили уравнение гармонического движения, когда изучали механику движения по окружности. Если частица движется по окружности с постоянной скоростью v, то радиус-вектор из центра окружности к частице поворачивается на угол, величина которого пропорциональна времени. Обозначим этот угол q=vt/R (фиг. 21.2).

Фиг. 21.2. Частица, движущаяся по кругу с постоянной скоростью.

Тогда d q/dt= w 0 =v/R. Известно, что ускорение а=v 2 /R=w 2 0 R и направлено к центру. Координаты движущейся точки в заданный момент равны

х =R cosq, y=Rsinq.

Что можно сказать об ускорении? Чему равна x-составляющая ускорения, d 2 x/dt 2 . Н айти эту величину можно чисто геометрически: она равна величине ускорения, умноженной на косинус угла проекции; перед полученным выражением надо поставить знак минус, потому что ускорение направлено к центру:

а х =- acosq=-wRcosq=-w 2 0 х. (21.7)

Иными словами, когда частица движется по окружности, горизонтальная составляющая движения имеет ускорение, пропорциональное горизонтальному смещению от центра. Конечно, мы знаем решения для случая движения по окружности: x=Rcos w 0 t. Уравнение (21.7) не содержит радиуса окружности; оно одинаково при движении по любой окружности при одинаковой w 0 .

Таким образом, имеется несколько причин, по которым следует ожидать, что отклонение грузика на пружинке окажется пропорциональным cosw 0 t и движение будет выглядеть так, как если бы мы следили за x-координатой частицы, движущейся по окружности с угловой скоростью w 0 . Проверить это можно, поставив опыт, чтобы показать, что движение грузика вверх-вниз на пружинке в точности соответствует движению точки по окружности. На фиг. 21.3 свет дуговой лампы проектирует на экран тени движущихся рядом воткнутой во вращающийся диск иголки и вертикально колеблющегося груза.

Фиг. 21.3. Демонстрация эквивалентности простого гармонического движения и равномерного движения по окружности.

Если вовремя и с нужного места заставить грузик колебаться, а потом осторожно подобрать скорость движения диска так, чтобы частоты их движений совпали, тени на экране будут точно следовать одна за другой. Вот еще способ убедиться в том, что, находя численное решение, мы почти вплотную подошли к косинусу.

Здесь можно подчеркнуть, что поскольку математика равномерного движения по окружности очень сходна с математикой колебательного движения вверх-вниз, то анализ колебательных движений очень упростится, если представить это движение как проекцию движения по окружности. Иначе говоря, мы можем дополнить уравнение (21.2), казалось бы, совершенно лишним уравнением для у и рассматривать оба уравнения совместно. Проделав это, мы сведем одномерные колебания к движению по окружности, что избавит нас от решения дифференциального уравнения. Можно сделать еще один трюк - ввести комплексные числа, но об этом в следующей главе.

§ 4. Начальные условия

Давайте выясним, какой смысл имеют А и В или а и D. Конечно, они показывают, как началось движение. Если движение начнется с малого отклонения, мы получим один тип колебаний; если слегка растянуть пружинку, а потом ударить по грузику - другой. Постоянные А и В или а и D, или какие-нибудь две другие постоянные определяются обстоятельствами, при которых началось движение, или, как обычно говорят, начальными условиями. Нужно научиться определять постоянные, исходя из начальных условий. Хотя для этого можно использовать любое из соотношений (21.6), лучше всего иметь дело с (21.6в). Пусть в начальный момент t=0 грузик смещен от положения равновесия на величину х 0 и имеет скорость v 0 . Это самая общая ситуация, какую только можно придумать. (Нельзя задать начального ускорения, потому что оно зависит от свойств пружины; мы можем распорядиться только величиной х 0 .) Вычислим теперь А и В. Начнем с уравнения для

х=Acosw o t+B sinw 0 t;

поскольку нам понадобится и скорость, продифференцируем х и получим

v=-w 0 Asinw 0 t+w 0 Bcosw 0 t.

Эти выражения справедливы для всех t, но у нас есть дополнительные сведения о величинах х и v при t=0. Таким образом, если положить t=0, мы должны получить слева х 0 и v 0 , ибо это то, во что превращаются х и v при t=0. Кроме того, мы знаем, что косинус нуля равен единице, а синус нуля равен нулю. Следовательно,

х 0 =А ·1+В ·0=А

v u =-w 0 A·0+w 0 B·1=w 0 B.

Таким образом, в этом частном случае

А=х 0 , В=v 0 /w 0 .

Зная А и В, мы можем, если пожелаем, найти а и D.

Итак, задача о движении осциллятора решена, но есть одна интересная вещь, которую надо проверить. Надо выяснить, сохраняется ли энергия. Если нет сил трения, то энергия должна сохраняться. Сейчас нам удобно использовать формулы

х=a cos(w o t+D) и v=-w 0 asin(w 0 t+D).

Давайте найдем кинетическую энергию Т и потенциальную энергию U . Потенциальная энергия в произвольный момент времени равна 1 / 2 kx 2 , где х - смещение, a k - постоянная упругости пружинки. Подставляя вместо х написанное выше выражение, найдем

U= 1 / 2 kx 2 = 1 / 2 ka 2 cos 2 (w 0 t+D).

Разумеется, потенциальная энергия зависит от времени; она всегда положительна, это тоже понятно: ведь потенциальная энергия - это энергия пружины, а она изменяется вместе с х. Кинетическая энергия равна 1 / 2 mv 2 ; используя выражение для v, получаем

Т = 1 / 2 mv 2 = 1 / 2 mw 2 0 a 2 sin 2 (w 0 t+D ).

Кинетическая энергия равна нулю при максимальном х, ибо в этом случае грузик останавливается; когда же грузик проходит положение равновесия (x=0), то кинетическая энергия достигает максимума, потому что именно тогда грузик движется быстрее всего. Изменение кинетической энергии, таким образом, противоположно изменению потенциальной энергии. Полная энергия должна быть постоянной. Действительно, если вспомнить, что k=mw 2 0 , то

T+U= 1 / 2 mw 2 0 а 2 = 1 / 2 rnw 2 0 a 2 .

Энергия зависит от квадрата амплитуды: если увеличить амплитуду колебания вдвое, то энергия возрастет вчетверо. Средняя потенциальная энергия равна половине максимальной и, следовательно, половине полной; средняя кинетическая энергия также равна половине полной энергии.

§ 5. Колебания под действием внешней силы

Нам остается рассмотреть колебания гармонического осциллятора под действием внешней силы. Движение в этом случае описывается уравнением

md 2 x/dt 2 =-kx+F(t). (21.8)

Давайте подумаем, как будет вести себя грузик при этих обстоятельствах. Внешняя движущая сила может зависеть от времени каким угодно образом. Начнем с простейшей зависимости. Предположим, что сила осциллирует

F(t)=F 0 coswt. (21.9)

Обратите внимание, что w - это не обязательно w 0: будем считать, что можно изменять w , заставляя силу действовать с разной частотой. Итак, надо решить уравнение (21.8) в случае специально подобранной силы (21.9). Каким будет решение (21.8)? Одно из частных решений (общим решением мы еще займемся) выглядит так:

z=Ccoswt, (21.10)

где постоянную С еще надо определить. Иначе говоря, пытаясь найти решение в таком виде, мы предполагаем, что, если тянуть грузик взад и вперед, он в конце концов начнет качаться взад и вперед с частотой действующей силы. Проверим, может ли это быть. Подставив (21.10) в (21.9), получим

Mw 2 С coswt=-mw 2 0 Сcoswt+F 0 coswt. (21.11)

Мы уже заменили k на mw 2 0 , потому что удобнее сравнивать две частоты. Уравнение (21.11) можно поделить на содержащийся в каждом члене косинус и убедиться, что при правильно подобранном значении С выражение (21.10) будет решением. Эта величина С должна быть такой:

Таким образом, грузик т колеблется с частотой действующей на него силы, но амплитуда колебания зависит от соотношения между частотой силы и частотой свободного движения осциллятора. Если со очень мала по сравнению с w 0 , то грузик движется вслед за силой. Если же чересчур быстро менять направление толчков, то грузик начинает двигаться в противоположном по отношению к силе направлении. Это следует из равенства (21.12), которое говорит нам, что величина С отрицательна, если w больше собственной частоты гармонического осциллятора w 0 . (Мы будем называть w 0 собственной частотой гармонического осциллятора, а w - приложенной частотой.) При очень высокой частоте знаменатель становится очень большим и грузик практически не движется.

Найденное нами решение справедливо только в том случае, когда уже установилось равновесие между осциллятором и действующей силой; это происходит после того, как вымрут другие движения. Эти вымирающие движения называют переходным откликом на силу F(t), а движение, описываемое (21.10) и (21.12),- равновесным откликом.

Приглядевшись к формуле (21.12), мы заметим любопытную вещь: если частота со почти равна w 0 , то С приближается к бесконечности. Таким образом, если настроить силу «в лад» с собственной частотой, отклонения грузика достигнут гигантских размеров. Об этом знает всякий, кому когда-либо приходилось раскачивать ребенка на качелях. Это довольно трудно сделать, если закрыть глаза и беспорядочно толкать качели. Но если найти правильный ритм, то раскачать качели легко, однако, как только мы опять собьемся с ритма, толчки начнут тормозить качели и от такой работы будет мало проку.

Если частота со будет в точности равна w 0 , то амплитуда должна стать бесконечной, что, разумеется, невозможно. Мы ошиблись, потому что решали не совсем верное уравнение. Составляя уравнение (21.8), мы забыли о силе трения и о многих других силах. Поэтому амплитуда никогда не достигнет бесконечности; пожалуй, пружинка порвется гораздо раньше!

Из книги Живой кристалл автора Гегузин Яков Евсеевич

Из книги Принц из страны облаков автора Гальфар Кристоф

Глава 11 Дверь открылась, и Миртиль застыла на месте. У нее перехватило дыхание. Перед ней стояла такая красивая женщина, какой она еще никогда не видела. Черты г-жи Дрейк были поразительно тонкими: ветерок, овевавший ее прекрасное лицо, и тот, казалось, прикасался к нему с

Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола

Глава 12 Г-жа Дрейк сидела напротив принцессы. Ноздри Миртиль щекотал сладковатый запах настоя, курившегося в чашках. Вдыхая ароматы далеких стран, она, никогда не покидавшая Миртильвиль, как будто перенеслась в неведомые края и мчалась по воздуху над огненно-алыми

Из книги Глаз и Солнце автора Вавилов Сергей Иванович

Глава 14 Незаметно махнув рукой Тому, Тристам занял свое обычное место в последнем ряду. Миртиль бросила беглый взгляд на его руку: вчерашний ожог зажил. Джерри, сидевший рядом с Томом, был вне себя от ярости. Опять этот Тристам дешево отделался! Безобразие! Давно пора

Из книги автора

Глава 15 - Мне совсем не хочется идти к директрисе, - сказал Тристам, как только они с Томом оказались в коридоре.- Раньше нужно было думать, - возразил Том. - Теперь ничего не поделаешь. Придется идти!И друзья поплелись к директорскому кабинету. Тристам не замечал, что

Из книги автора

Глава 16 Ветер дул все сильнее. Стебли рисовых метелок нещадно хлестали Тома и Тристама, убегавших от преследователей. Обезумев от страха, мальчики думали только о том, чтобы нагнать г-жу Дрейк. До защитного ограждения было уже недалеко. Возле городской черты мать Тристама

Из книги автора

Глава 17 Получасом раньше, в тот самый момент, когда в класс Лазурро вбежал полковник, Миртиль поняла, что для их городка наступили последние часы.- Они нас нашли, - твердо сказал полковник. - Они уже здесь. Миртиль, Тристам, идемте со мной, вы должны бежать.Миртиль

Из книги автора

Глава 13 Когда в гостиную вошел Том, Тристам сидел на диване. Он повесил мамин кулон себе на шею, заправив кристалл под свитер, и смотрел на портрет Миртиль, лежавший перед ним на низеньком столике. Глаза Тристама блестели, как будто он только что плакал.- Ну и тип! -

Из книги автора

Глава 7 - Ты знаешь что-нибудь про аэродинамику? - спросил Вакинг.- Ароэ… что?В наушниках послышался тяжелый вздох Тома, летевшего вместе с Робом. Их машину отделяло от ласточки Вакинга несколько километров.- Это наука о свойствах воздуха, обтекающего самолеты, ракеты

Из книги автора

Глава 10 - Все пропало! - воскликнул Том. - Роб не прилетит! Как думаешь, у лейтенанта был план на этот случай?Тристам явно сомневался, но промолчал. Он с отчаянием смотрел, как звенья по десять машин, одно за другим, заходят на посадку. В некоторых, особенно крупных

Из книги автора

Глава 13 Внутри жуткого облака было нечем дышать. Густой серый туман ослепил Миртиль и Тристама, порывистый ветер, с каждым мгновением усиливаясь, швырял машину как щепку, и они почти сразу перестали понимать, куда их тащит. Мощь чудовища, в утробе которого они оказались,

Из книги автора

Глава 15 Они шли долго, может быть, несколько часов. Тристам молча шагал за Вакингом и Миртиль, улавливая обрывки их разговора. Так, он услышал, что большинство летчиков из Белой Столицы, по мнению лейтенанта, должны были спастись и даже не слишком пострадать: все они были

Из книги автора

Глава 16 Они шли по лесу, и Миртиль рассказывала Тристаму обо всем, что с ней приключилось: о встрече с тираном, о тропическом циклоне и о том, какой выбор предложил ей этот человек, не скрывавший своего безумия.- Ты выбрала смерть? - спросил потрясенный Тристам.- Да. И

Из книги автора

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ САМО-ДЕИСТВУЮЩИИ ДВИГАТЕЛЬ - МЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР - РАБОТА ДЮАРА И ЛИНДЕ - ЖИДКИЙ ВОЗДУХ Осознав эту истину, я начал изыскивать пути выполнения моей идеи, и после длительных размышлений, я наконец придумал аппарат, который смог бы получать

Из книги автора

РАЗВИТИЕ НОВОГО ПРИНЦИПА - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР - ПРОИЗВЕДЕНИЕ КОЛОССАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ - ЗЕМЛЯ ОТВЕЧАЕТ ЧЕЛОВЕКУ - МЕЖПЛАНЕТНАЯ СВЯЗЬ ТЕПЕРЬ СТАЛА ВОЗМОЖНОЙ Я решил сконцентрировать свои усилия на этой несколько рискованной задаче, хотя и сулившей

Гармони́ческий осцилля́тор (в классической механике) - система , которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы F , пропорциональной смещению x (согласно закону Гука):

F = − k x {\displaystyle F=-kx}

где k - коэффициент жёсткости системы.

Если F - единственная сила, действующая на систему, то систему называют простым или консервативным гармоническим осциллятором . Свободные колебания такой системы представляют собой периодическое движение около положения равновесия (гармонические колебания). Частота и амплитуда при этом постоянны, причём частота не зависит от амплитуды.

Механическими примерами гармонического осциллятора являются математический маятник (с малыми углами отклонения), , торсионный маятник и акустические системы. Среди других аналогов гармонического осциллятора стоит выделить электрический гармонический осциллятор (см. LC-цепь).

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Элементарные частицы | квантовая теория поля | этюд номер 6 | квантовый осциллятор

Вынужденные колебания линейного осциллятора | Общая физика. Механика | Евгений Бутиков

Элементарные частицы | квантовая теория поля | этюд номер 5 | классический осциллятор

Осцилляторы: что это и как их использовать? Обучение для трейдеров от I-TT.RU

Sytrus 01 из 16 Работа с формой осциллятора

Субтитры

Свободные колебания

Консервативный гармонический осциллятор

В качестве модели консервативного гармонического осциллятора возьмём груз массы m , закреплённый на пружине жёсткостью k .

Пусть x - смещение груза относительно положения равновесия. Тогда, согласно закону Гука, на него будет действовать возвращающая сила:

F = − k x . {\displaystyle F=-kx.}

Подставляем в дифференциальное уравнение.

x ¨ (t) = − A ω 2 sin ⁡ (ω t + φ) , {\displaystyle {\ddot {x}}(t)=-A\omega ^{2}\sin(\omega t+\varphi),} − A ω 2 sin ⁡ (ω t + φ) + ω 0 2 A sin ⁡ (ω t + φ) = 0. {\displaystyle -A\omega ^{2}\sin(\omega t+\varphi)+\omega _{0}^{2}A\sin(\omega t+\varphi)=0.}

Амплитуда сокращается. Значит, она может иметь любое значение (в том числе и нулевое - это означает, что груз покоится в положении равновесия). На синус также можно сократить, так как равенство должно выполняться в любой момент времени t . Таким образом, остаётся условие для частоты колебаний:

− ω 2 + ω 0 2 = 0 , {\displaystyle -\omega ^{2}+\omega _{0}^{2}=0,} ω = ± ω 0 . {\displaystyle \omega =\pm \omega _{0}.} U = 1 2 k x 2 = 1 2 k A 2 sin 2 ⁡ (ω 0 t + φ) , {\displaystyle U={\frac {1}{2}}kx^{2}={\frac {1}{2}}kA^{2}\sin ^{2}(\omega _{0}t+\varphi),}

тогда полная энергия имеет постоянное значение

E = 1 2 k A 2 . {\displaystyle E={\frac {1}{2}}kA^{2}.}

Простое гармоническое движение - это движение простого гармонического осциллятора , периодическое движение, которое не является ни вынужденным , ни затухающим . Тело в простом гармоническом движении подвергается воздействию единственной переменной силы , которая по модулю прямо пропорциональна смещению x от положения равновесия и направлена в обратную сторону.

Это движение является периодическим: тело колеблется около положения равновесия по синусоидальному закону. Каждое последующее колебание такое же, как и предыдущее, и период , частота и амплитуда колебаний остаются постоянными. Если принять, что положение равновесия находится в точке с координатой, равной нулю, то смещение x тела от положения равновесия в любой момент времени даётся формулой:

x (t) = A cos ⁡ (2 π f t + φ) , {\displaystyle x(t)=A\cos \left(2\pi \!ft+\varphi \right),}

где A - амплитуда колебаний, f - частота, φ - начальная фаза.

Частота движения определяется характерными свойствами системы (например, массой движущегося тела), в то время как амплитуда и начальная фаза определяются начальными условиями - перемещением и скоростью тела в момент начала колебаний. Кинетическая и потенциальная энергии системы также зависят от этих свойств и условий.

Простое гармоническое движение можно рассматривать как математическую модель различных видов движения, таких, например, как колебание пружины . Другими случаями, которые могут приближённо рассматриваться как простое гармоническое движение, являются движение маятника и вибрации молекул .

Простое гармоническое движение является основой некоторых способов анализа более сложных видов движения. Одним из таких способов является способ, основанный на преобразовании Фурье , суть которого сводится к разложению более сложного вида движения в ряд простых гармонических движений.

Типичным примером системы, в которой происходит простое гармоническое движение, является идеализированная система груз-пружина, в которой груз присоединён к пружине. Если пружина не сжата и не растянута, то на груз не действует никаких переменных сил, и груз находится в состоянии механического равновесия. Однако, если груз вывести из положения равновесия, пружина деформируется, и с её стороны на груз будет действовать сила, которая будет стремиться вернуть груз в положение равновесия. В случае системы груз-пружина такой силой является сила упругости пружины, которая подчиняется закону Гука :

F = − k x , {\displaystyle F=-kx,} F - возвращающая сила, x - перемещение груза (деформация пружины), k - коэффициент жёсткости пружины.

Любая система, в которой происходит простое гармоническое движение, обладает двумя ключевыми свойствами:

Когда система выведена из состояния равновесия, должна существовать возвращающая сила, стремящаяся вернуть систему в равновесие.
Возвращающая сила должна в точности или приближённо быть пропорциональна перемещению.

Система груз-пружина удовлетворяет обоим этим условиям.

Однажды смещённый груз подвергается действию возвращающей силы, ускоряющей его, и стремящейся вернуть в начальную точку, то есть, в положение равновесия. По мере того, как груз приближается к положению равновесия, возвращающая сила уменьшается и стремится к нулю. Однако в положении x = 0 груз обладает некоторым количеством движения (импульсом), приобретённым благодаря действию возвращающей силы. Поэтому груз проскакивает положение равновесия, начиная снова деформировать пружину (но уже в противоположном направлении). Возвращающая сила будет стремиться замедлить его, пока скорость не станет равной нулю; и сила вновь будет стремиться вернуть груз в положение равновесия.

Пока в системе нет потерь энергии, груз будет колебаться как описано выше; такое движение называется периодическим.

Дальнейший анализ покажет, что в случае системы груз-пружина движение является простым гармоническим.

Динамика простого гармонического движения

Для колебания в одномерном пространстве, учитывая Второй закон Ньютона (F = m d²x /dt ² ) и закон Гука (F = −kx , как описано выше), имеем линейное дифференциальное уравнение второго порядка:

m d 2 x d t 2 = − k x , {\displaystyle m{\frac {\mathrm {d} ^{2}x}{\mathrm {d} t^{2}}}=-kx,} m - масса тела, x - его перемещение относительно положения равновесия, k - постоянная (коэффициент жёсткости пружины).

Решение этого дифференциального уравнения является синусоидальным ; одно из решений таково:

x (t) = A cos ⁡ (ω t + φ) , {\displaystyle x(t)=A\cos(\omega t+\varphi),}

где A , ω и φ - постоянные величины, и положение равновесия принимается за начальное. Каждая из этих постоянных представляет собой важное физическое свойство движения: A - это амплитуда, ω = 2πf - круговая частота , и φ - начальная фаза.

U (t) = 1 2 k x (t) 2 = 1 2 k A 2 cos 2 ⁡ (ω t + φ) . {\displaystyle U(t)={\frac {1}{2}}kx(t)^{2}={\frac {1}{2}}kA^{2}\cos ^{2}(\omega t+\varphi).}

Универсальное движение по окружности

Простое гармоническое движение в некоторых случаях можно рассматривать как одномерная проекция универсального движения по окружности.

Если объект движется с постоянной угловой скоростью ω по окружности радиуса r , центром которой является начало координат плоскости x − y , то такое движение вдоль каждой из координатных осей является простым гармоническим с амплитудой r и круговой частотой ω .

Груз как простой маятник

В приближении малых углов движение простого маятника является близким к простому гармоническому. Период колебаний такого маятника, прикреплённого к стержню длиной ℓ с ускорением свободного падения g даётся формулой

T = 2 π ℓ g . {\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {\ell }{g}}}.}

Это показывает, что период колебаний не зависит от амплитуды и массы маятника, но зависит от ускорения свободного падения g , поэтому при той же самой длине маятника, на Луне он будет качаться медленнее, так как там слабее гравитация и меньше значение ускорения свободного падения.

Указанное приближение является корректным только при небольших углах отклонения, поскольку выражение для углового ускорения пропорционально синусу координаты:

ℓ m g sin ⁡ θ = I α , {\displaystyle \ell mg\sin \theta =I\alpha ,}

где I - момент инерции ; в данном случае I = m ℓ 2 .

ℓ m g θ = I α {\displaystyle \ell mg\theta =I\alpha } ,

что делает угловое ускорение прямо пропорциональным углу θ , а это удовлетворяет определению простого гармонического движения.

Гармонический осциллятор с затуханием

Взяв за основу ту же модель, добавим в неё силу вязкого трения. Сила вязкого трения направлена против скорости движения груза относительно среды и прямо пропорциональна этой скорости. Тогда полная сила, действующая на груз, записывается так:

F = − k x − α v {\displaystyle F=-kx-\alpha v}

Проводя аналогичные действия, получаем дифференциальное уравнение, описывающее затухающий осциллятор:

x ¨ + 2 γ x ˙ + ω 0 2 x = 0 {\displaystyle {\ddot {x}}+2\gamma {\dot {x}}+\omega _{0}^{2}x=0}

Здесь введено обозначение: 2 γ = α m {\displaystyle 2\gamma ={\frac {\alpha }{m}}} . Коэффициент γ {\displaystyle \gamma } носит название постоянной затухания. Он тоже имеет размерность частоты.

Решение же распадается на три случая.

x (t) = A e − γ t s i n (ω f t + φ) {\displaystyle x(t)=Ae^{-\gamma t}sin(\omega _{f}t+\varphi)} ,

где ω f = ω 0 2 − γ 2 {\displaystyle \omega _{f}={\sqrt {\omega _{0}^{2}-\gamma ^{2}}}} - частота свободных колебаний.

x (t) = (A + B t) e − γ t {\displaystyle \ x(t)=(A+Bt)e^{-\gamma t}} x (t) = A e − β 1 t + B e − β 2 t {\displaystyle x(t)=Ae^{-\beta _{1}t}+Be^{-\beta _{2}t}} ,

где β 1 , 2 = γ ± γ 2 − ω 0 2 {\displaystyle \beta _{1,2}=\gamma \pm {\sqrt {\gamma ^{2}-\omega _{0}^{2}}}} .

Критическое затухание примечательно тем, что именно при критическом затухании осциллятор быстрее всего стремится в положение равновесия. Если трение меньше критического, он дойдёт до положения равновесия быстрее, однако «проскочит» его по инерции, и будет совершать колебания. Если трение больше критического, то осциллятор будет экспоненциально стремиться к положению равновесия, но тем медленнее, чем больше трение.

Поэтому в стрелочных индикаторах (например, в амперметрах) обычно стараются ввести именно критическое затухание, чтобы стрелка успокаивалась максимально быстро для считывания его показаний.

Затухание осциллятора также часто характеризуют безразмерным параметром, называемым добротностью . Добротность обычно обозначают буквой Q {\displaystyle Q} . По определению, добротность равна:

Q = ω 0 2 γ {\displaystyle Q={\frac {\omega _{0}}{2\gamma }}}

Чем больше добротность, тем медленнее затухают колебания осциллятора.

У осциллятора с критическим затуханием добротность равна 0,5. Соответственно, добротность указывает характер поведения осциллятора. Если добротность больше 0,5, то свободное движение осциллятора представляет собой колебания; теоретически со временем он пересечёт положение равновесия неограниченное количество раз. Добротность, меньшая или равная 0,5, соответствует неколебательному движению осциллятора; в свободном движении он пересечёт положение равновесия не более одного раза.

Добротность иногда называют коэффициентом усиления осциллятора, так как при некоторых способах возбуждения при совпадении частоты возбуждения с резонансной частотой колебаний их амплитуда устанавливается примерно в Q {\displaystyle Q} раз больше, чем при возбуждении с той же интенсивностью на низкой частоте.

Также добротность примерно равна количеству колебательных циклов, за которое амплитуда колебаний уменьшается в e {\displaystyle e} раз, умноженному на π {\displaystyle \pi } .

В случае колебательного движения затухание ещё характеризуют такими параметрами, как:

Время жизни колебаний (оно же время затухания , оно же время релаксации ) τ - время, за которое амплитуда колебаний уменьшится в e раз.

τ = 1 / γ . {\displaystyle \tau =1/\gamma .} Это время рассматривается как время, необходимое для затухания (прекращения) колебаний (хотя формально свободные колебания продолжаются бесконечно долго).

Вынужденные колебания

Колебания осциллятора называют вынужденными, когда на него производится некоторое дополнительное воздействие извне. Это воздействие может производиться различными средствами и по различным законам. Например, силовым возбуждением называется воздействие на груз силой, зависящей только от времени по определённому закону. Кинематическим возбуждением называют воздействие на осциллятор движением точки закрепления пружины по заданному закону. Возможно также воздействие трением, когда, например, среда, с которой груз испытывает трение, совершает движение по заданному закону.

Простейшей моделью колебательного движения атомов в двухатомной молекуле может служить система из двух масс т / и ш?, связанных упругой пружиной. Колебание двух атомов относительно центра масс может быть заменено колебанием одной эквивалентной

массы относительно начальной нулевой точки R= 0, где

R - расстояние между массами, R e - положение точки равновесия.

При классическом рассмотрении предполагается, что пружина идеальна - упругая сила F прямо пропорциональна деформации - отклонению от равновесия х = R-R e , по закону Гука:

где к - константа упругости. Таким образом, сила направлена в сторону возвращения к равновесному положению.

Совместно используя законы Гука и Ньютона (F -та), можно записать:

(обозначая ). Решением такого уравнения, как известно,

служат гармонические функции

где хо - амплитуда, а

Используя приведенную массу /л получаем:

Мерой потенциальной энергии системы V служит работа

В квантовой механике анализ колебательного движения для простой модели гармонического осциллятора достаточно сложен. Он основан на решении уравнения Шредингера

(у/ - колебательная волновая функция, Е - общая энергия частицы) и выходит за рамки нашего изложения.

Для квантового осциллятора возможен только дискретный ряд значений энергии Е и частот в соответствии с формулой E=hv. Кроме того, минимальное значение энергии осциллятора не равно нулю. Эта величина называется нулевой энергией, она соответствует низшему энергетическому уровню осциллятора и равна , её существование можно объяснить, исходя из соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Таким образом, в соответствии с квантовой механикой энергия гармонического осциллятора квантуется:

где v - колебательное квантовое число, которое может принимать значение у=0, 1, 2, 3,....

При взаимодействии осциллятора с квантами электромагнитного излучения следует учитывать три фактора: 1) заселенность уровней (вероятность нахождения молекулы на данном энергетическом уровне); 2) правило частот (Бора), согласно которому энергия кванта должна соответствовать разности энергии каких-либо двух уровней;

3) правило отбора для квантовых переходов: вероятность перехода, т.е. интенсивность линий в спектре поглощения определяется величиной дипольного момента перехода (см. теоретическое введение). В случае простейшего гармонического осциллятора правило отбора получается из рассмотрения волновых функций. Оно гласит, что переходы могут осуществляться только между соседними уровнями («на одну ступеньку»): колебательное квантовое число изменяется на единицу Av = 1. Поскольку расстояния между соседними уровнями одинаковы, то в спектре поглощения гармонического осциллятора должна присутствовать только одна линия с частотой

Так как в соответствии с распределением Больцмана при комнатной и более низких температурах заселен самый нижний колебательный уровень, то наиболее интенсивен переход с самого низкого уровня (d=0), и частота этой линии совпадает с частотой более слабых переходов с вышележащих уровней на соседний, более высокий уровень.

Графики волновых функций гармонического осциллятора для разных значений энергии приведены на рисунке 2.3. Они представляют собой решения уравнения Шредингера для гармонического осциллятора

где N, - нормирующий множитель, Н 0 - полиномы Эрмита, х = R-R e - отклонение от положения равновесия.

Дипольный момент перехода для колебательных переходов, R 0 (или М„) равен:

где ju - дипольный момент молекулы; колеба

тельные волновые функции исходного и конечного состоянийсоответственно. Из формулы видно, что переход разрешен ,

если в точке равновесия - дипольный момент молекулы

изменяется вблизи положения точки равновесия, (кривая ju=f(R) в этой точке не проходит через максимум). Интеграл (второй сомножитель в формуле) также должен быть не равным нулю. Можно показать, что это условие соблюдается, если переход совершается между соседними уровнями, отсюда дополнительное правило отбора Аи = 1.

В случае двухатомных молекул колебательные спектры могут наблюдаться только для гетероядерных молекул, у гомоядерных молекул дипольный момент отсутствует и не изменяется при колебаниях. В колебательных спектрах СО2 проявляются колебания (валентные антисимметричные и деформационные), при которых изменяется дипольный момент, но не проявляются симметричные колебания, при которых он неизменен.

F , пропорциональной смещению x :

Механическими примерами гармонического осциллятора являются математический маятник (с малыми углами отклонения), груз на пружине , торсионный маятник и акустические системы. Среди немеханических аналогов гармонического осциллятора можно выделить электрический гармонический осциллятор (см. LC-цепь).

Пусть x - смещение материальной точки относительно её положения равновесия, а F - действующая на точку возвращающая сила любой природы вида

где k = const. Тогда, используя второй закон Ньютона , можно записать ускорение как

Амплитуда сокращается. Значит, она может иметь любое значение (в том числе и нулевое - это означает, что материальная точка покоится в положении равновесия). На синус также можно сократить, так как равенство должно выполняться в любой момент времени t . Таким образом, остаётся условие для частоты колебаний:

Любая система, в которой происходит простое гармоническое движение, обладает двумя ключевыми свойствами:

Типичным примером системы, в которой происходит простое гармоническое движение, является идеализированная система груз-пружина, в которой груз присоединён к пружине и находится на горизонтальной поверхности. Если пружина не сжата и не растянута, то на груз не действует никаких переменных сил и он находится в состоянии механического равновесия. Однако, если груз вывести из положения равновесия, пружина деформируется и с её стороны будет действовать сила, стремящаяся вернуть груз в положение равновесия. В случае системы груз-пружина такой силой является сила упругости пружины, которая подчиняется закону Гука :

где k имеет вполне конкретный смысл - это коэффициент жёсткости пружины.

Однажды смещённый груз подвергается действию возвращающей силы, ускоряющей его и стремящейся вернуть в начальную точку, то есть в положение равновесия. По мере того, как груз приближается к положению равновесия, возвращающая сила уменьшается и стремится к нулю. Однако в положении x = 0 груз обладает некоторым количеством движения (импульсом), приобретённым благодаря действию возвращающей силы. Поэтому груз проскакивает положение равновесия, начиная снова деформировать пружину (но уже в противоположном направлении). Возвращающая сила будет стремиться замедлить его, пока скорость не станет равной нулю; и сила вновь будет стремиться вернуть груз в положение равновесия.

Если нет потерь энергии, груз будет колебаться как описано выше; такое движение является периодическим.

Простое гармоническое движение, показанное одновременно в реальном пространстве и в фазовом пространстве . Real Space - реальное пространство; Phase Space - фазовое пространство; velocity - скорость; position - положение (позиция).

В случае вертикально подвешенного на пружине груза, наряду с силой упругости, действует сила тяжести, то есть суммарно сила составит

Измерения частоты (или периода) колебаний груза на пружине используются в устройствах для определения массы тела - так называемых массметрах , применяемых на космических станциях, когда весы не могут функционировать из-за невесомости.

Простое гармоническое движение в некоторых случаях можно рассматривать как одномерную проекцию универсального движения по окружности.

В приближении малых углов движение простого маятника является близким к простому гармоническому. Период колебаний такого маятника, прикреплённого к стержню длиной ℓ , даётся формулой

где g - ускорение свободного падения. Это показывает, что период колебаний не зависит от амплитуды и массы маятника, но зависит от g , поэтому, при той же самой длине маятника, на Луне он будет качаться медленнее, так как там слабее гравитация и меньше значение ускорения свободного падения.

где I - момент инерции ; в данном случае I = m ℓ 2 . Небольшие углы реализуются в условиях, когда амплитуда колебаний значительно меньше длины стержня.

При рассмотрении осциллятора с затуханием за основу берётся модель консервативного осциллятора, в которую добавляется сила вязкого трения. Сила вязкого трения направлена против скорости движения груза относительно среды и прямо пропорциональна этой скорости. Тогда полная сила, действующая на груз, записывается так:

Используя второй закон Ньютона, получаем дифференциальное уравнение, описывающее затухающий осциллятор:

У осциллятора с критическим затуханием добротность равна 0,5. Соответственно, добротность указывает характер поведения осциллятора. Если добротность больше 0,5, то свободное движение осциллятора представляет собой колебания; теоретически, со временем он пересечёт положение равновесия неограниченное количество раз. Добротность, меньшая или равная 0,5, соответствует неколебательному движению осциллятора; в свободном движении он пересечёт положение равновесия не более одного раза.

В случае колебательного движения затухание ещё характеризуют такими параметрами, как:

Это время рассматривается как время, необходимое для затухания (прекращения) колебаний (хотя, формально, свободные колебания продолжаются бесконечно долго).

Рассмотрим простую физическую систему – материальную точку, способную без трения колебаться на горизонтальной поверхности под действием силы Гука (см. рис. 2).

Если смещение груза невелико (много меньше, чем длина недеформированной пружины), а жесткость пружины равна k, то но груз действует единственная сила, сила Гука. Тогда уравнение

движения груза (Второй закон Ньютона) имеет вид

Перенеся слагаемые в левую часть равенства и разделив на массу материальной точки (массой пружины пренебрегаем по сравнению с m), получим уравнение движения

(*) ,

период колебаний.

Тогда, взяв функцию

и продифференцировав её по времени, убеждаемся, во-первых, что скорость движения груза равна

а во-вторых, после повторного дифференцирования,

то есть X(t) действительно является решением уравнения груза на пружинке.

Такая система, вообще, любая система, механическая, электрическая или иная, обладающая уравнением движения (*), называется гармоническим осциллятором. Функция типа X(t) носит название закона движения гармонического осциллятора, величины
называютсяамплитудой ,циклической илисобственной частотой ,начальной фазой . Собственная частота определяется параметрами осциллятора, амплитуда и начальная фаза задаются начальными условиями.

Закон движения X(t) представляет собой свободные колебания. Такие колебания совершают незатухающие маятники (математический или физический), ток и напряжения в идеальном колебательном контуре и некоторые другие системы.

Гармонические колебания могут складываться как в одном, так и в различных направлениях. Результатом сложения тоже оказывается гармоническое колебание, например,

Это принцип суперпозиции (наложения) колебаний.

Математики разработали теорию рядов такого рода, которые называются рядами Фурье. Имеется также ряд обобщений типа интегралов Фурье (частоты могут меняться непрерывным образом) и даже интегралы Лапласа, работающие с комплексными частотами.

§15. Затухающий осциллятор. Вынужденные колебания.

Реальные механические системы всегда обладают, хотя бы малым, трением. Простейший случай – жидкое или вязкое трение. Это трение, величина которого пропорционально скорости движения системы (и направлена, естественно, против направления движения). Если движение происходит вдоль оси Х, то уравнение движения может быть записано (например, для грузика на пружинке) в виде

где – коэффициент вязкого трения.

Это уравнение движения можно преобразовать к виду

Здесь
– коэффициент затухания,– по-прежнему собственная частота осциллятора (который уже нельзя назвать гармоническим; это затухающий осциллятор с вязким трением).

Математики умеют решать такие дифференциальные уравнения. Было показано, что решением является функция

В последней формуле используются обозначения: – начальная амплитуда, частота слабозатухающих колебаний
,
. Кроме того, часто используют другие параметры, характеризующие затухание: логарифмический декремент затухания
, время релаксации системы
, добротность системы
, где в числителе стоит запасенная системой энергия, а в знаменателе – потери энергии за период Т.

В случае сильного затухания
решение имеет апериодический вид.

Часто встречаются случаи, когда кроме сил трения на осциллятор действует внешняя сила. Тогда уравнение движения приводится к виду

стоящее справа выражение часто называют приведенной силой, само выражение
называют вынуждающей силой. Для произвольной вынуждающей силы найти решение уравнения не удается. Обычно рассматривают гармоническую вынуждающую силу типа
. Тогда решение представляет собой затухающую часть типа (**), которая для больших времен стремится к нулю, и установившиеся (вынужденные) колебания

Амплитуда вынужденных колебаний

а фаза вынужденных колебаний

Заметим, что при приближении собственной частоты к частоте вынуждающей силы амплитуда вынужденных колебаний возрастает. Это явление известно как резонанс . Если затухание велико, то резонансное увеличение не велико. Такой резонанс называют «тупым». При малых затуханиях амплитуда «острого» резонанса может возрасти весьма значительно. Если же система идеальна, и трение в ней отсутствует, то амплитуда вынужденных колебаний увеличивается неограниченно.

Заметим также, что при частоте вынуждающей силы

Достигается максимальное значение амплитуды вынуждающей силы, равное