Существуют различные
методы описания гармонических колебаний.
Приведём некоторые из них.
-
Аналитический
метод
Задаётся уравнение
колебаний гармонического осциллятора
х=Аsin(ωt+φ0)
по которому и
определяется смещение его от положения
равновесия в любой момент времени.
-
Графический
метод
Строятся
график гармонического колебания
(рис.6.4) х=Аsin(ωt+φ0).
По оси абсцисс (ОХ) откладывается время
t
или фаза колебаний ωt+φ0,
по оси ординат (ОУ) – смещение х от
положения равновесия.
3. Метод векторной
диаграммы
Э
тот
метод состоит в следующем. Гармоническое
колебание может быть задано с помощью
вектора, длина которого равна амплитуде
А колебания, а направление образует с
осью х угол, равный начальной фазе
колебания (рис. 6.5). Если привести этот
вектор во вращение с угловой скоростью
ω0,
то проекция конца вектора на ось х будет
перемещаться в пределах от +А до -А, а
колеблющаяся величина будет изменяться
со временем по закону
x
= Asin(ω0t+φ0),
совершая гармоническое колебание.
§ 6.1.6 Скорость и ускорение колеблющейся точки
Чтобы
найти скорость материальной точки при
гармоническом колебании, возьмем
производную от смещения колеблющейся
точки x
= Asin(ω0t+φ0)
по времени:
(6.18)
где
υmax
= Аω0
— максимальная скорость (амплитуда
скорости).
На
основании тригонометрических формул
преобразуем (4.18):
(6.19)
Сравнивая
выражения для смещения и скорости
замечаем, что фаза скорости
на больше фазы смещения, т.е. скорость
опережает по фазе смещение на
Продифференцировав (4.18), найдем
ускорение:
(6.20)
где
аmax
= А ω02
– максимальное ускорение (амплитуда
ускорения).
Вместо
(6.20) запишем
а
= аmax
соs
[π + (ω0t+φ0)] (6.21)
Из
сравнения (6.21) и (6.17) следует, что фазы
ускорения и смещения различаются на π,
т. е. эти величины изменяются в противофазе.
Это значит, что при положительном
максимальном смещении ускорение
максимально, но отрицательно. На рисунке
показаны графические зависимости
смещения, скорости и ускорения от времени
(рис.6.6, а) и их векторные диаграммы
(рис.6.6, б) .
§ 6.1.7 Кинетическая и потенциальная энергии колебательного движения
Гармонический
осциллятор обладает как кинетической,
так и потенциальной энергией, которые
последовательно переходят друг в друга
при колебаниях осциллятора. Полная
энергия осциллятора равна сумме
кинетической и потенциальной энергии:
Е
= Ек+Еп
(6.22)
Кинетическая
энергия осциллятора, колеблющегося по
гармоническому закону, вычисляют по
формуле:
(6.23)
с
учётом mω2
=
k
Потенциальную
энергию колебательного движения найдём,
исходя из формулы для потенциальной
энергии упругой деформации:
(6.24)
Складывая
кинетическую и потенциальную энергию,
получим полную механическую энергию
материальной точки, колеблющейся по
гармоническому закону:
(6.25)
Полученное
выражение показывает, что энергия
гармонического осциллятора от времени
не зависит, т.е. с течением времени
остаётся величиной постоянной, а зависит
только от квадрата амплитуды и частоты.
При
отсутствии сил трения полная механическая
энергия системы не изменяется:
(6.26)
Графически
зависимости кинетической, потенциальной
и полной механической энергий колеблющейся
системы от времени показаны на рис. 4.7,
а.
Потенциальная
яма (ограниченная область пространства,
в которой потенциальная энергия меньше,
чем в не её), соответствующая гармоническому
колебанию, изображена на рис. 6.7, б. Она
определяется зависимостью
.
Отложив на оси ординат полную механическую
энергию Е, по графику определяют интервал
координат (-А, +А), за пределы которого
частица, обладающая такой энергией,
выйти не может.
Соседние файлы в папке Физика
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
|
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ |
|
|
Колебания, при которых изменения физических величин происходят по закону косинуса или синуса (гармоническому закону), наз. гармоническими колебаниями. Например, в случае механических гармонических колебаний:. В этих формулах ω – частота колебания, xm – амплитуда колебания, φ0 и φ0’ – начальные фазы колебания. Приведенные формулы отличаются определением начальной фазы и при φ0’ = φ0 +π/2 полностью совпадают. |
|
|
Это простейший вид периодических колебаний. Конкретный вид функции (синус или косинус) зависит от способа выведения системы из положения равновесия. Если выведение происходит толчком (сообщается кинетическая энергия), то при t=0 смещение х=0, следовательно, удобнее пользоваться функцией sin, положив φ0’=0; при отклонении от положения равновесия (сообщается потенциальная энергия) при t=0 смещение х=хm, следовательно, удобнее пользоваться функцией cos и φ0=0. |
|
|
Выражение, стоящее под знаком cos или sin, наз. фазой колебания: Фаза колебания измеряется в радианах и определяет значение смещения (колеблющейся величины) в данный момент времени. |
|
|
Амплитуда колебания зависит только от начального отклонения (начальной энергии, сообщенной колебательной системе). |
|
|
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях. |
|
|
Согласно определению скорости, скорость – это производная от координаты по времени |
|
|
Таким образом, мы видим, что скорость при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания скорости опережают колебания смещения по фазе на π/2. |
|
|
Величина |
|
|
Следовательно, для скорости при гармоническом колебании имеем: |
|
|
Согласно определению ускорения, ускорение – это производная от скорости по времени:
Ускорение при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания ускорения опережают колебания скорости на π/2 и колебания смещения на π (говорят, что колебания происходят в противофазе). |
|
|
Величина – максимальное ускорение (амплитуда колебаний ускорения). Следовательно, для ускорения имеем: |
|
|
Из анализа процесса колебательного движения, графиков и соответствующих математических выражений видно, что при прохождении колеблющимся телом положения равновесия (смещение равно нулю) ускорение равно нулю, а скорость тела максимальна (тело проходит положение равновесия по инерции), а при достижении амплитудного значения смещения – скорость равна нулю, а ускорение максимально по модулю (тело меняет направление своего движения). |
|
|
Сравним выражения для смещения и ускорения при гармонических колебаниях:
|
|
|
Можно записать: т.е. вторая производная смещения прямо пропорциональна (с противоположным знаком) смещению. Такое уравнение наз. уравнением гармонического колебания. Эта зависимость выполняется для любого гармонического колебания, независимо от его природы. Поскольку мы нигде не использовали параметров конкретной колебательной системы, то от них может зависеть только циклическая частота. |
|
|
Часто бывает удобно записывать уравнения для колебаний в виде: где T – период колебания. Тогда, если время выражать в долях периода подсчеты будут упрощаться. Например, если надо найти смещение через 1/8 периода, получим: |
|
.
– максимальная скорость колебательного движения (амплитуда колебаний скорости).
, а для случая нулевой начальной фазы 
(см. график).
– вторая производная от координаты по времени. Тогда: 
.
, а для случая нулевой начальной фазы: 
(см. график).
и 
.
–
,
. Аналогично для скорости и ускорения.Содержание:
Гармонические колебания:
Некоторые движения, встречающиеся в быту, за равные промежутки времени повторяются. Такое движение называется периодическим движением. Часто встречается движение, при котором тело перемещается то в одну, то в другую сторону относительно равновесного состояния. Такое движение тела называется колебательным движением или просто колебанием.
Колебания, совершаемые телом, которое выведено из равновесного состояния в результате действия внутренних сил, называются собственными (свободными) колебаниями. Величина удаления от равновесного состояния колеблющегося тела называется его смещением (
Для наблюдения механических колебаний ознакомимся с колебаниями груза, закрепленного на конце пружины (рис. 5.1). На этом рисунке груз, закрепленный на пружине, сможет двигаться без трения с горизонтальным стержнем, так как силу тяжести шарика приводит в равновесие реакционная сила стержня.
Коэффициент упругости пружины – 
, а ее масса ничтожна мала и можно ее не учитывать. Считаем, что масса системы сосредоточена в грузе, а упругость в пружине.
Если груз, который находится в равновесии, потянем вправо на расстояние 
и отпустим, то под действием силы упругость, которая появляется в пружине, груз смещается в
сторону равновесного состояния.
С течением времени смещение груза уменьшается относительно 
, но скорость груза при этом увеличивается. Когда груз доходит до равновесного состояния, его смещение (
) равняется нулю и соответственно сила упругости равняется нулю. Но груз по инерции начинает двигаться в левую сторону. Модуль силы упругости, которая появляется в пружине, тоже растет. Однако из-за того, что сила упругости постоянно направлена против смещения груза, она начинает тормозить груз. В результате движение груза замедляется, и, в результате, прекращается. Теперь груз под воздействием эластической силы сжатой пружины начинает двигаться в сторону равновесного состояния.
Для определения закономерности изменения в течение времени системы, которая периодически совершает колебания, заполним воронку песком, подвесим на веревке, подложим бумагу под систему и раскачаем воронку. В ходе колебания начинаем равномерно вытягивать бумагу из-под системы. В результате мы увидим, что следы песка на бумаге образуют синусоиду. Из этого можно сделать следующий вывод: смещение периодически колеблющегося тела по истечении времени изменяется по закону синусов и косинусов. При этом самое большое значение смещения равняется амплитуде ():
здесь: 
– циклическая частота, зависящая от параметров колеблющихся систем, 
– начальная фаза, (
) фаза колебания с течением времени 
.
Из математики известно, что 
поэтому формулу (5.2.) можно записать в виде
Колебания, в которых с течением времени параметры меняются по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями.
Значит, пружинный маятник, вышедший из равновесного состояния, совершает гармоническое колебание. Для того чтобы система совершала гармоническое колебание: 1) при выходе тела из равновесного состояния, для возвращения его в равновесное состояние должна появиться внутренняя сила; 2) колеблющееся тело должно обладать инертностью и на него не должны оказывать воздействие силы трения и сопротивления. Эти условия называется условиями проявления колебательных движений.
Основные параметры гармонических колебаний
a) период колебания 
– время одного полного колебания:
)
б) частота колебания 
– количество колебаний, совершаемых за 1 секунду:
Единица 
c) циклическая частота 
– количество колебаний за 
секунд:
С учетом формул (5.5) и (5.6) уравнение гармонических колебаний (5.2) можно записать в следующей форме.
Большинство величин, количественно описывающих гармонические колебания, смещения которых с течением времени меняются по закону синусов или косинусов (скорость, ускорение, кинетическая и потенциальная энергия), тоже гармонически меняются.
Это подтверждается следующими графиками и уравнениями:
Пример решения задачи:
Точка совершает гармоническое колебательное движение. Максимальное смещение и скорость соответственно равны 0,05 м и 0,12 м/с. Найдите максимальное ускорение и скорость колебательного движения, а также ускорение точки в момент, когда смещение равно 0,03 м.
Дано:
Найти:
Формула и решение:
Гармонические колебания пружинного маятника
В 1985 году в городе Мехико произошла ужасная катастрофа, причина которой было землетрясение: 5526 человек погибли, 40 ООО человек ранены, 31000 человек остались без крова. Из проведенных затем исследований ученые выяснили, что главной причиной разрушений во время землетрясения является совпадение частоты свободных колебаний зданий с частотой вынужденных колебаний Земли. Поэтому при возведении новых зданий в сейсмически активной зоне необходимо, чтобы эти частоты не совпадали. Это даст возможность уменьшить последствия землетрясения. С этой целью важно знать, от чего зависят частота и период колебаний.
Одной из простейших колебательных систем, совершающих гармонические колебания, является пружинный маятник.
Пружинный маятник — это колебательная система, состоящая из пружины и закрепленного на ней тела. Колебания, возникающие в пружинном маятнике, являются гармоническими колебаниями:
Под гармоническими колебаниями подразумеваются колебания, возникающие под действием силы, прямо пропорциональной перемещению и направленной против направления перемещения.
Исследование колебаний пружинного маятника имеет большое практическое значение, например, при вычислении колебаний рессор автомобиля при езде; в исследовании воздействия колебаний на фундамент зданий и тяжелых станков, в определении эластичности ушных перепонок при диагностике лор-заболеваний. По этой причине изучение колебаний пружинного маятника является актуальной проблемой.
С целью уменьшения количества сил, действующих на колебательную систему, целесообразно использовать горизонтально расположенную колебательную систему пружина-шарик (d).
В этой системе действия силы тяжести и реакции опоры уравновешивают друг друга. При выведении шарика из состоянии равновесия, например, при растяжении пружины до положения 
сила упругости, возникающая в ней, сообщает шарику ускорение и приводит его в колебательное движение. По II закону Ньютона уравнение движения маятника можно записать так:
или
Формула (4.9) является уравнением свободных гармонических колебаний пружинного маятника.
Где 
– масса шарика, закрепленного на пружине, 
— проекция ускорения шарика вдоль оси 
— жесткость пружины, 
-удлинение пружины, равное амплитуде колебания. Для данной колебательной системы отношение 
– постоянная положительная величина (так как масса и жесткость не могут быть отрицательными). При сравнении уравнения колебаний (4.9) пружинного маятника с выражением для другого вида периодического движения – известным выражением центростремительного ускорения при равномерном движении по окружности получается, что отношение 
соответствует квадрату циклической частоты 
или
Таким образом, уравнение движения пружинного маятника можно записать и так:
Уравнение (4.12) показывает, что колебания пружинного маятника с циклической частотой 
являются свободными гармоническими колебаниями. Из математики известно, что решением этого уравнения является:
Так как тригонометрическая функция является гармонической функцией, то и колебания пружинного маятника являются гармоническими колебаниями.
Здесь 
фаза колебания, 
— начальная фаза. Единица измерения фазы в СИ – радиан (1 рад). Фазу также можно измерять в градусах: 
Значение начальной фазы зависит от выбора начального момента времени. Начальный момент времени можно выбрить так, чтобы 
В этом случае формулу гармонических колебаний пружинного маятника можно записать так:
или 
Из сравнения выражений (4.11) и (4.5) определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний пружинного маятника:
Из выражений (4.14) и (4.15) видно, что период и частота пружинного маятника зависят от жесткости пружины и массы груза, подвешенного к нему.
Гармонические колебания математического маятника
До наших дней дошла такая историческая информация: однажды в 1583 году итальянский ученый Г. Галилей, находясь в храме города Пиза, обратил внимание на колебательное движение люстры, подвешенной на длинном тросе. Он, сравнивая колебания люстры со своим пульсом, определил, что, несмотря на уменьшение амплитуды колебания, время, затрачиваемое на одно полное колебание (период колебания) люстры, не изменяется. Затем Галилей в результате многочисленных проведенных исследований, изменяя длину нитевого маятника, массу подвешенного к нему груза, высоту расположения маятника (по сравнению с уровнем моря), определил, от чего зависят период и частота колебаний маятника.
Гармонические колебания возникают также под действием силы тяжести. Это можно наблюдать с помощью математического маятника.
Математический маятник – это идеализированная колебательная система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити.
Для исследования колебаний математического маятника можно использовать систему, состоящую из тонкой длинной нити и шарика (b).
Сила тяжести 
действующая на шарик в положении равновесия маятника, уравновешивается силой натяжения нити 
Однако, если вывести маятник из состояния равновесия, сместив его на малый угол 
в сторону, то возникают две составляющие вектора силы тяжести -направленная вдоль нити 
и перпендикулярная нити 
Сила натяжения 
и составляющая силы тяжести 
уравновешивают друг друга. Поэтому равнодействующая сила будет равна составляющей 
“пытающейся” вернуть тело в положение равновесия (см.: рис. b). Учитывая вышеуказанное и ссылаясь на II закон Ньютона, можно написать уравнение колебательного движения тела массой 
в проекциях на ось ОХ:
Приняв во внимание, что:
Для уравнения движения математического маятника получим:
Где 
— длина математического маятника (нити), 
– ускорение свободного падения, 
— амплитуда колебания.
Для данной колебательной системы отношение 
— постоянная положительная величина, потому что ускорение свободного падения и длина нити не могут быть отрицательными. Если сравнить уравнения (4.16) и (4.10), с легкостью можно увидеть, что отношение также соответствует квадрату циклической частоты 
или
Таким образом, уравнение движения математического маятника можно записать и так:
Уравнение (4.19) показывает, что колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями с циклической частотой со. Из математики вы знаете, что решением этого уравнения является нижеприведенная функция:
Так как эта функция является гармонической, то и колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями.
Отсюда определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний математического маятника:
Таким образом, период и частота колебаний математического маятника зависят от длины маятника и напряженности гравитационного поля в данной точке.
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях
Вы уже знакомы с основными тригонометрическими функциями и умеете строить графики тригонометрических уравнений, описывающих гармонические колебания.
При гармонических колебаниях маятника его смещение изменяется по гармоническому закону, поэтому не трудно доказать, что его скорость и ускорение также изменяются по гармоническому закону. Предположим, что смещение изменяется по закону косинуса и начальная фаза равна нулю
Так как скорость является первой производной смещения (координат) по времени, то:
или
Как видно из выражения (4.23), скорость, изменяющаяся по гармоническому закону, опережает колебания смещения по фазе на 
(а).
Максимальное (амплитудное) значение скорости зависит от амплитуды, частоты и периода колебаний:
Так как ускорение является первой производной скорости по времени, то получим:
или
Как видим, колебания ускорения, изменяющегося по гармоническому закону, опережают колебания скорости по фазе на 
а колебания смещения на
(см.: рис. а). Максимальное (амплитудное) значение ускорения зависит от амплитуды, частоты и периода колебаний:
Превращения энергии при гармонических колебаниях
Теоретический материал
Потенциальная и кинетическая энергия свободных гармонических колебаний в замкнутой системе периодически превращаются друг в друга.
В таблице 4.4 дано сравнение превращений энергий в пружинном и математическом маятниках. Как видно из таблицы, потенциальная энергия колебательной системы в точке возвращения 
имеет максимальное значение:
Если же маятник находится в точке равновесия, потенциальная энергия минимальна:
Кинетическая энергия системы, наоборот, в точке возвращения минимальна 
а в точке равновесия максимальна:
На рисунке (а) даны графики зависимости потенциальной и кинетической энергии при гармоническом колебательном движении от смещения.
Полная механическая энергия замкнутой колебательной системы в произвольный момент времени 
остается постоянной (трение не учитывается):
a) для пружинного маятника:
b) для математического маятника:
Если принять во внимание изменение смещения и скорости по гармоническому закону в формулах потенциальной и кинетической энергии колебательного движения, то станет очевидно, что при гармонических колебаниях эти энергии так же изменяются по гармоническому закону (b):
Как было отмечено выше, полная энергия системы не изменяется по гармоническому закону:
• Полная энергия гармонических колебаний прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
Если же в системе существует сила трения, то его полная энергия не сохраняется — изменение полной механической энергии равно работе силы трения. В результате колебания затухают: 
Превращения энергии при гармонических колебаниях
Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергий. Кинетической энергией тело обладает вследствие своего движения, а потенциальная энергия определяется взаимодействием тела с другими телами или полями. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силу трения не учитывают, то его механическая энергия сохраняется.
Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.
При отклонении маятника на угол а (рис. 7), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:
Рис. 7. Превращения энергии при колебаниях математического маятника
Поскольку при прохождении положения равновесия его потенциальная энергия равна нулю, то кинетическая энергия (а следовательно, и скорость) будет максимальна:
Из закона сохранения механической энергии следует (рис. 8), что
(1)
Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:
(2)
Высоту 
можно выразить через длину маятника l и амплитуду колебаний А.
Если колебания малые, то 
Из треугольника KCD на рисунке 8 находим
Отсюда
Подставив выражение для в формулу I (2), получим
Подставляя выражения для 
и в соотношение (1), находим
Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную.
В любом промежуточном положении
Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 9). В крайних точках, когда координата груза принимает значение 
, модуль его скорости равен нулю (v = 0) и кинетическая энергия груза полностью переходит в потенциальную энергию деформированной пружины:
Таким образом, получаем, что механическая энергия гармонического осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
В положении равновесия, когда x = 0, вся энергия осциллятора переходит в кинетическую энергию груза:
где 
— модуль максимальной скорости груза при колебаниях.
В промежуточных точках полная механическая энергия
Отсюда можно вывести выражение для модуля скорости 
груза в точке с
координатой х:
Так как 
Энергия при гармонических колебаниях
Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергии. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силой трения пренебрегают, то его механическая энергия сохраняется. Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.
При отклонении маятника на угол 
(рис. 10), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:
Поскольку при прохождении положения равновесия потенциальная энергия равна нулю 
то из закона сохранения механической энергии следует (см. рис. 10), что 
т. е. кинетическая энергия маятника (а следовательно, и скорость) рис. ю. Определение^иhmax будет максимальна:
Запишем закон сохранения механической энергии, подставив в него выражения для потенциальной и кинетической энергии:
Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:
Высоту 
можно выразить через длину 
маятника и амплитуду 
колебаний. Если колебания малые, то 
Из 
(см. рис. 10) находим:
или 
Подставив выражение (3) для 
в формулу (2), получим:
Подставляя выражения (3) для 
и (4) для 
в соотношение (1), находим:
Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную (рис. 11). В любом промежуточном положении
Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 12).
В крайних положениях, когда 
модуль скорости маятника 
и кинетическая энергия груза полностью переходит в потенциальную энергию деформированной пружины:
Таким образом, из соотношения (6) следует, что механическая энергия пружинного маятника пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
В положении равновесия, когда 
вся энергия пружинного маятника переходит в кинетическую энергию груза:
где 
— модуль максимальной скорости груза при колебаниях.
В положениях между крайними точками полная энергия
С учетом выражений для координаты 
и проекции скорости груза 
а также для 
находим его потенциальную энергию 
и кинетическую энергию 
в произвольный момент времени
Тогда полная механическая энергия пружинного маятника в этот же. момент времени есть величина постоянная и равная:
Таким образом, начальное смещение 
определяет начальную потенциальную, а начальная скорость 
определяет начальную кинетическую энергию колеблющегося тела. При отсутствии в системе потерь энергии процесс колебаний сопровождается только переходом энергии из потенциальной в кинетическую и обратно.
Заметим, что частота периодических изменений кинетической (потенциальной) энергии колеблющегося тела в два раза больше частоты колебаний маятника. Действительно, дважды за период механическая энергия тела будет полностью превращаться в потенциальную (в двух крайних положениях маятника) и дважды за период — в кинетическую (при его прохождении через положение равновесия) (рис. 13).
Пример №1
Математический маятник при колебаниях от одного крайнего положения до другого смещается на расстояние 
см и при прохождении положения равновесия достигает скорости, модуль которой 
Определите период 
колебании маятника.
Дано:
Решение
По закону сохранения механической энергии
Отсюда:
Ответ: 
Пример №2
Груз массой 
г находится на гладкой горизонтальной поверхности и закреплен на легкой пружине жесткостью 
Его смешают на расстояние 
см от положения равновесия и сообщают в направлении от положения равновесия скорость, модуль которой 
Определите потенциальную 
и кинетическую 
энергию груза в начальный момент времени. Запишите кинематический закон движения груза.
Дано:
Решение Потенциальная энергия груза:
Кинетическая энергия груза:
Начальное смещение груза не является амплитудой, так как вместе с начальным отклонением грузу сообщили и скорость. Однако полная энергия может быть выражена через амплитуду колебаний:
Отсюда
Циклическая частота:
В начальный момент времени 
координата груза 
Отсюда начальная фаза:
Тогда закон гармонических колебаний имеет вид (рис. 14):
Ответ: 
- Вынужденные колебания в физике
- Электромагнитные колебания
- Свободные и вынужденные колебания в физике
- Вынужденные электромагнитные колебания
- Закон Архимеда
- Движение жидкостей
- Уравнение Бернулли
- Механические колебания и волны в физике
Уравнение гармонических колебаний
- Гармонические колебания как простейший периодический процесс
- Перемещение, скорость и ускорение при гармоническом движении
- Примеры
п.1. Гармонические колебания как простейший периодический процесс
Процессы, в которых состояние системы полностью повторяется через определенные промежутки времени, называются периодическими.
Например:
1) Вращение Луны вокруг Земли, Земли и других планет вокруг Солнца, Солнечной системы в целом вокруг центра Галактики;
2) Колебания атомов в молекуле, колебания электромагнитного поля;
3) Сокращения сердечной мышцы, колебания маятника часов, движение поршня в двигателе внутреннего сгорания, смена дня и ночи, приливы и отливы.
Минимальное время T, в течение которого система возвращается в исходное состояние, называется периодом.
Например:
1) Период вращения минутной стрелки часов T=1 час
Период вращения Земли вокруг своей оси T=1 сут=24 ч
Период вращения Земли вокруг Солнца T=1 год=365 сут
2) Период колебаний атомов в двухатомных молекулах T=10-14 с
Период вращения Солнца вокруг центра Галактики T=240 млн.лет.≈7,6·1015 с
Если состояние системы характеризуется некоторой функцией от времени (s=x(t)), то для периодического процесса выполняется равенство: (x(t+T)=x(t)).
Простейшими периодическими функциями являются тригонометрические функции (sint) и (cost) с периодом (T=2pi).
Простейшим периодическим процессом являются гармонические колебания, для которых состояние системы изменяется со временем по закону синуса или косинуса: $$ x(t)=Asin(omega t+varphi_0) text{или} x(t)=A cos(omega t+varphi_0) $$ где:
(x(t)) – отклонение характеристики системы от среднего за период значения;
(A) – амплитуда колебаний, максимальное отклонение от среднего за период значения;
(omega) – циклическая частота, изменение фазы колебаний за 1 с, рад/с;
(varphi_0) – начальная фаза колебаний, значение фазы при t=0, рад;
((omega t+varphi_0) )– полная фаза колебаний (просто «фаза»), рад;
Множитель (omega) перед аргументом (t) тригонометрической функции сокращает её период в (omega) раз (см. §8 данного справочника). Поэтому:
Период гармонических колебаний равен: $$ T=frac{2pi}{omega} $$
Число колебаний в единицу времени называют частотой. Частота является величиной, обратной периоду: $$ nu=frac1T $$ Связь циклической частоты и частоты: (omega=2pinu)
Например:
Запишем закон колебаний математического маятника – шарика на нити, если в начальный момент времени он был отклонен на 5 см, а затем отпущен. При подсчете за 10 с он совершил 20 колебаний.
Отклонение в начальный момент соответствует амплитудному значению A=5 см при (t_0=0), значит, будем описывать колебания по закону косинуса с начальной фазой (varphi_0=0). По условию за t=10 с зафиксировано N=20 колебаний, откуда частота: begin{gather*} nu=frac Nt, omega=2pinu=2pifrac Nt\ omega=2picdotfrac{20}{10}=4pi text{(рад/с)} end{gather*} Получаем закон колебаний: (x(t)=5cos(4pi t))
п.2. Перемещение, скорость и ускорение при гармоническом движении
Пусть (x(t)) – координата тела, участвующего в периодическом движении по закону: $$ x(t)=Acosomega t $$ Найдем скорость как первую производную от координаты: $$ v(t)=x'(t)=-Aomega sinomega t=Aomega cosleft(omega t+fracpi 2right) $$ Мы видим, что колебания скорости происходят с той же частотой, что и колебания координаты, но опережают их по фазе на (fracpi 2). Амплитудное значение скорости: $$ v_m=Aomega $$ Найдем ускорение как первую производную от скорости (и соответственно, вторую производную от координаты): $$ a(t)=v'(t)=x”(t)=-Aomega^2 cosomega t=Aomega^2 cos(omega t+pi) $$ Колебания ускорения также происходят с той же частотой, опережая колебания скорости на (fracpi 2) и колебания координаты на (pi). Амплитудное значение ускорения: $$ a_m=Aomega^2 $$ Например:
При A=2 и (omega=frac12) получаем такие синусоиды:
Из уравнения для ускорения получаем: $$ x”(t)=-Aomega^2cosomega t=-omega^2(Acosomega t)=-omega^2 x(t) $$ Откуда следует:
Уравнение гармонических колебаний: $$ x”(t)+omega^2x(t)=0 $$
Решением этого уравнения в общем виде будут: $$ x(t)=Asin(omega t+varphi_0) text{или} x(t)=A cos(omega t+varphi_0) $$ Для каждой из систем физический смысл (x(t)) и (omega) будет разным.
п.3. Примеры
Пример 1. Получите уравнение гармонических колебаний для горизонтального пружинного маятника с массой m и жесткостью пружины k. Чему равна циклическая частота этих колебаний?
 |
Горизонтальный пружинный маятник – это грузик массой m, прикрепленный к пружине жесткостью k. Грузик может перемещаться в горизонтальном направлении без трения. |
По вертикали на грузик действую сила тяжести и реакция опоры, равнодействующая которых равна нулю.
По горизонтали на грузик действует только сила упругости: (F=-kcdot x(t))
Самое время вспомнить о втором законе Ньютона. Сила, действующая на грузик, приводит его в движение с ускорением a: begin{gather*} F=ma=mcdot x”(t)\ mcdot x”(t)=-kcdot x(t) end{gather*} Уравнение движения грузика: $$ x”(t)+frac km x(t)=0 $$ что является уравнением гармонических колебаний с частотой: (omega=sqrt{frac km})
Общее решение уравнения: (x(t)=Acosleft(sqrt{frac km}+varphi_0right))
Амплитудные значения скорости и ускорения: $$ v_m=Asqrt{frac km}, a_m=Afrac km $$ Ответ: (omega=sqrt{frac km})
Пример 2. Получите уравнение гармонических колебаний для малых углов отклонений математического маятника на нити длиной l при ускорении свободного падения g. Чему равна циклическая частота этих колебаний?
 |
Математический маятник – это шарик, который можно считать материальной точкой, на длинной невесомой нерастяжимой нити длиной l в поле тяготения с ускорением свободного падения g. |
В положении равновесия на шарик действуют и уравновешивают друг друга две силы: сила тяжести mg и сила натяжения нити FH.
В положении максимального отклонения под углом α к вертикали равнодействующая уже не равна 0, и, как только мы отпустим шарик, он начинает перемещаться вниз. Уравнение движения: begin{gather*} moverrightarrow{a}=-overrightarrow{F_H}-moverrightarrow{g} end{gather*} (overrightarrow{F_H}perpoverrightarrow{F}) т.к. равнодействующая (overrightarrow{F}=moverrightarrow{a}) направлена по касательной. В проекции на направление (overrightarrow{F}) сила натяжения (overrightarrow{F_H}) даст 0, а сила тяжести (mgsinalpha). Получаем: begin{gather*} ma=0-mgsinalpha=-mgsinalpha\ a=-gsinalpha end{gather*} Для смещения x по дуге окружности радиусом угол (alpha=frac xl). Для небольших углов (до 20°) (sinfrac xlapproxfrac xl) (см. приближения функций при малых x в §52 данного справочника). Поэтому: $$ a=-gsinfrac xlapprox-frac gl x $$ И мы получаем уравнение гармонических колебаний: (x”(t)+frac gl x=0, omega=sqrt{frac gl})
Общее решение уравнения: (x(t)=Acosleft(frac gl t+varphi_0right))
Амплитудные значения скорости и ускорения: (v_m=Asqrt{frac gl}, a_m=Afrac gl)
Ответ: (omega=sqrt{frac gl})
Пример 3. Получите уравнение гармонических колебаний для L-контура.
Чему равна циклическая частота этих колебаний?
 |
LC-контур – это электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C. Модель является идеальной, т.к. предполагает, что в цепи полностью отсутствует активное сопротивление R, и колебания не затухают со временем. |
Напряжение на конденсаторе (U_C(t)=frac{Q(t)}{C}). Ток, протекающий через катушку, создает ЭДС (varepsilon_L(t)=-Lfrac{triangle I}{triangle t}). При переходе к пределу (triangle trightarrow 0) получаем производную (varepsilon_L(t)=-LI'(t)). По второму закону Кирхгофа для замкнутого контура: begin{gather*} U_c(t)=varepsilon_L(t)Rightarrow frac{Q(t)}{C}=-LI'(t)Rightarrow frac{Q(t)}{C}+LI'(t)=0 end{gather*} Вспомним, что (Q'(t)=I(t)) – ток равен производной от заряда по времени.
Тогда первая производная от тока равна второй производной от заряда (I'(t)=Q”(t)).
begin{gather*} frac{Q(t)}{C}+LQ”(t)=0 end{gather*} Получаем уравнение гармонических колебаний: $$ Q”(t)=frac{1}{LC}Q(t)=0, omega=frac{1}{sqrt{LC}} $$ Общее решение уравнения: (Q(t)=Q_m cosleft(frac{1}{sqrt{LC}}t+varphi_0right))
Напряжение на конденсаторе: $$ U_C(t)=frac{Q(t)}{C}=frac{Q_m}{C}cosleft(frac{1}{sqrt{Lc}}t+varphi_0right) $$ Амплитудное значение напряжения: (U_m=frac{Q_m}{C})
Ток как скорость изменения заряда: $$ I(t)=Q'(t)=-frac{Q_m}{sqrt{LC}}sinleft(frac{1}{sqrt{LC}}t+varphi_0right)=frac{Q_m}{sqrt{LC}}cosleft(frac{1}{sqrt{LC}}t+varphi_0+fracpi 2right) $$ Амплитудное значение тока: (I_m=frac{Q_m}{sqrt{LC}})
Ток опережает колебания заряда и напряжения на (fracpi 2)
Ответ: (omega=frac{1}{sqrt{LC}})
I. Механика
Тестирование онлайн
Гармоническое колебание
Это периодическое колебание, при котором координата, скорость, ускорение, характеризующие движение, изменяются по закону синуса или косинуса.
График гармонического колебания
График устанавливает зависимость смещения тела со временем. Установим к пружинному маятнику карандаш, за маятником бумажную ленту, которая равномерно перемещается. Или математический маятник заставим оставлять след. На бумаге отобразится график движения.
Графиком гармонического колебания является синусоида (или косинусоида). По графику колебаний можно определить все характеристики колебательного движения.
Уравнение гармонического колебания
Уравнение гармонического колебания устанавливает зависимость координаты тела от времени
График косинуса в начальный момент имеет максимальное значение, а график синуса имеет в начальный момент нулевое значение. Если колебание начинаем исследовать из положения равновесия, то колебание будет повторять синусоиду. Если колебание начинаем рассматривать из положения максимального отклонения, то колебание опишет косинус. Или такое колебание можно описать формулой синуса с начальной фазой 
.
Изменение скорости и ускорения при гармоническом колебании
Не только координата тела изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Но и такие величины, как сила, скорость и ускорение, тоже изменяются аналогично. Сила и ускорение максимальные, когда колеблющееся тело находится в крайних положениях, где смещение максимально, и равны нулю, когда тело проходит через положение равновесия. Скорость, наоборот, в крайних положениях равна нулю, а при прохождении телом положения равновесия – достигает максимального значения.
Если колебание описывать по закону косинуса
Если колебание описывать по закону синуса
Максимальные значения скорости и ускорения
Проанализировав уравнения зависимости v(t) и a(t), можно догадаться, что максимальные значения скорость и ускорение принимают в том случае, когда тригонометрический множитель равен 1 или -1. Определяются по формуле
