Гармонические колебания совершаются с частотой. Кинематика гармонического колебательного движения. Колебания математического маятника
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
«Физика - 11 класс»
Ускорение - вторая производная координаты по времени.
Мгновенная скорость точки - это производная координаты точки по времени.
Ускорение точки - это производная ее скорости по времени, или вторая производная координаты по времени.
Поэтому уравнение движения маятника можно записать так:
где х" - вторая производная координаты по времени.
При свободных колебаниях координата х изменяется со временем так, что вторая производная координаты по времени прямо пропорциональна самой координате и противоположна ей по знаку.
Гармонические колебания
Из математики: вторые производные синуса и косинуса по их аргументу пропорциональны самим функциям, взятым с противоположным знаком, и никакие другие функции таким свойством не обладают.
Поэтому:
Координата тела, совершающего свободные колебания, меняется с течением времени по закону синуса или косинуса.
Периодические изменения физической величины в зависимости от времени, происходящие по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями .
Амплитуда колебаний
Амплитудой гармонических колебаний называется модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия.
Амплитуда определяется начальными условиями, а точнее энергией, сообщаемой телу.
График зависимости координаты тела от времени представляет собой косинусоиду.
х = x m cos ω 0 t
Тогда уравнение движения, описывающее свободные колебания маятника:
Период и частота гармонических колебаний.
При колебаниях движения тела периодически повторяются.
Промежуток времени Т, за который система совершает один полный цикл колебаний, называется периодом колебаний
.
Частота колебаний - это число колебаний в единицу времени.
Если одно колебание совершается за время Т то число колебаний за секунду
В Международной системе единиц (СИ) единица частоты называется герцем (Гц) в честь немецкого физика Г. Герца.
Число колебаний за 2π с равно:
Величина ω 0 - это циклическая (или круговая) частота колебаний.
Через промежуток времени, равный одному периоду, колебания повторяются.
Частоту свободных колебаний называют собственной частотой
колебательной системы.
Часто для краткости циклическую частоту называют просто частотой.
Зависимость частоты и периода свободных колебаний от свойств системы.
1. для пружинного маятника
Собственная частота колебаний пружинного маятника равна:
Она тем больше, чем больше жесткость пружины k, и тем меньше, чем больше масса тела m.
Жесткая пружина сообщает телу большее ускорение, быстрее меняет скорость тела, а чем тело массивнее, тем медленнее оно изменяет скорость под влиянием силы.
Период колебаний равен:
Период колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды колебаний.
2. для нитяного маятника
Собственная частота колебаний математического маятника при малых углах отклонения нити от вертикали зависит от длины маятника и ускорения свободного падения:
Период же этих колебаний равен
Период колебаний нитяного маятника при малых углах отклонения не зависит от амплитуды колебаний.
Период колебаний возрастает с увеличением длины маятника. От массы маятника он не зависит.
Чем меньше g, тем больше период колебаний маятника и, следовательно, тем медленнее идут часы с маятником. Так, часы с маятником в виде груза на стержне отстанут за сутки почти на 3 с, если их поднять из подвала на верхний этаж Московского университета (высота 200 м). И это только за счет уменьшения ускорения свободного падения с высотой.
Выбор начальной фазы позволяет при описании гармонических колебаний перейти от функции синуса к функции косинуса:Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде:
Для того чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению:
где – масса колеблющегося тела.
Физическую систему, в которой могут существовать гармонические колебания, называют гармоническим осциллятором, а уравнение гармонических колебаний – уравнением гармонического осциллятора.
1.2. Сложение колебаний
Неpедки случаи, когда система одновpеменно участвует в двух или нескольких независимых дpуг от дpуга колебаниях. В этих случаях обpазуется сложное колебательное движение, котоpое создается путем наложения (сложения) колебаний дpуг на дpуга. Очевидно, случаи сложения колебаний могут быть весьма pазнообpазны. Они зависят не только от числа складываемых колебаний, но и от паpаметpов колебаний, от их частот, фаз, амплитуд, напpавлений. Не пpедставляется возможным обозpеть все возможное pазнообpазие случаев сложения колебаний, поэтому огpаничимся pассмотpением лишь отдельных пpимеpов.
Сложение гармонических колебаний, направленных вдоль одной прямой
Рассмотрим сложение одинаково направленных колебаний одного периода, но отличающихся начальной фазой и амплитудой. Уравнения складываемых колебаний заданы в следующем виде:
где и – смещения; и – амплитуды; и – начальные фазы складываемых колебаний.
| Рис.2. |
Амплитуду результирующего колебания удобно определить с помощью векторной диаграммы (рис. 2), на которой отложены векторы амплитуд и складываемых колебаний под углами и к оси и по правилу параллелограмма получен вектор амплитуды суммарного колебания .
Если равномерно вращать систему векторов (параллелограмм) и проектировать векторы на ось , то их проекции будут совершать гармонические колебания в соответствии с заданными уравнениями. Взаимное расположение векторов , и при этом остается неизменным, поэтому колебательное движение проекции результирующего вектора тоже будет гармоническим.
Отсюда следует вывод, что суммарное движение - гармоническое колебание, имеющее заданную циклическую частоту. Определим модуль амплитуды А результирующего колебания. В угол (из равенства противоположных углов параллелограмма).
Следовательно,
отсюда: .
Согласно теореме косинусов ,
Начальная фаза результирующего колебания определяется из :
Соотношения для фазы и амплитуды позволяют найти амплитуду и начальную фазу результирующего движения и составить его уравнение: .
Биения
Рассмотрим случай, когда частоты двух складываемых колебаний мало отличаются друг от друга , и пусть амплитуды одинаковы и начальные фазы , т.е.
Сложим эти уравнения аналитически:
Преобразуем
| Рис. 3. |
Биения можно наблюдать при звучании двух камертонов, если частоты и колебаний близки друг к другу.
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
Пусть материальная точка одновременно участвует в двух гармонических колебаниях, совершающихся с одинаковыми периодами в двух взаимно перпендикулярных направлениях. С этими направлениями можно связать прямоугольную систему координат , расположив начало координат в положении равновесия точки. Обозначим смещение точки С вдоль осей и , соответственно, через и . (рис. 4).
Рассмотрим несколько частных случаев.
1). Начальные фазы колебаний одинаковы
Выберем момент начала отсчета времени таким образом, чтобы начальные фазы обоих колебаний были равны нулю. Тогда смещения вдоль осей и можно выразить уравнениями:
Поделив почленно эти равенства, получим уравнения траектории точки С:
или .
Следовательно, в результате сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний точка С колеблется вдоль отрезка прямой, проходящей через начало координат (рис.4).
| Рис. 4. |
Уравнения колебания в этом случае имеют вид:
Уравнение траектории точки:
Следовательно, точка С колеблется вдоль отрезка прямой, проходящей через начало координат, но лежащей в других квадрантах, чем в первом случае. Амплитуда А результирующих колебаний в обоих рассмотренных случаях равна:
3). Начальная разность фаз равна .
Уравнения колебаний имеют вид:
Разделим первое уравнение на , второе – на :
Возведем оба равенства в квадрат и сложим. Получим следующее уравнение траектории результирующего движения колеблющейся точки:
Колеблющаяся точка С движется по эллипсу с полуосями и . При равных амплитудах траекторией суммарного движения будет окружность . В общем случае при , но кратным, т.е. , при сложении, взаимно перпендикулярных колебаний колеблющаяся точка движется по кривым, называемым фигурами Лиссажу.
Фигуры Лиссажу
Фигу́ры Лиссажу́ – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Впервые изучены французским учёным Жюлем Антуаном Лиссажу. Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний (рис. 5).
| Рис.5. |
В простейшем случае равенства обоих периодов фигуры представляют собой эллипсы, которые при разности фаз или вырождаются в отрезки прямых, а при разности фаз и равенстве амплитуд превращаются в окружность. Если периоды обоих колебаний неточно совпадают, то разность фаз всё время меняется, вследствие чего эллипс всё время деформируется. При существенно различных периодах фигуры Лиссажу не наблюдаются. Однако, если периоды относятся как целые числа, то через промежуток времени, равный наименьшему кратному обоих периодов, движущаяся точка снова возвращается в то же положение – получаются фигуры Лиссажу более сложной формы.
Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с началом координат, а стороны параллельны осям координат и расположены по обе стороны от них на расстояниях, равных амплитудам колебаний (рис. 6).
Общие сведения о колебаниях
Глава 6 Колебательное движение
Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости.
Таким свойством повторяемости обладают, например, качания маятника часов, колебания струны или ножек камертона, напряжение между обкладками конденсатора в контуре радиоприемника и т. п.
В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания:
– механические;
– электромагнитные;
– электромеханические и т. д.
В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают:
– свободные (или собственные);
– вынужденные;
– автоколебания;
– параметрические колебания.
Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе после того, как ей был сообщен толчок либо она была выведена из положения равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити (маятник).
Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодически изменяющейся силы.
Автоколебания сопровождаются воздействием на колеблющуюся систему внешних сил, однако моменты времени, когда осуществляются эти воздействия, задаются самой колеблющейся системой - система сама управляет внешним воздействием. Примером автоколебательной системы являются часы, в которых маятник получает толчки за счет энергии поднятой гири или закрученной пружины, причем эти толчки происходят в моменты прохождения маятника через среднее положение.
При параметрических колебаниях за счет внешнего воздействия происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы, например длины нити маятника.
Простейшими являются гармонические колебания , т. е. такие колебания, при которых колеблющаяся величина (например, отклонение маятника) изменяется со временем по закону синуса или косинуса.
Важнейшим среди колебательных движений является так называемое простое или гармоническое колебательное движение.
Характер такого движения лучше всего раскрывается с помощью следующей кинематической модели. Допустим, что геометрическая точка M равномерно вращается по окружности радиуса a с постоянной угловой скоростью (рис. 6.1). Ее проекция N на диаметр, например на ось X , будет совершать колебательное движение от крайнего положения до другого крайнего положения и обратно. Такое колебание точки N называют простым или гармоническим колебанием.
Чтобы его описать, надо найти координату x точки N как функцию времени t . Допустим, что в начальный момент времени радиус OM образовал с осью X угол . Спустя время t этот угол получит приращение и сделается равным . Из рис. 6.1. видно, что
. (6.1)
Это формула и описывает аналитически гармоническое колебательное движение точки N вдоль диаметра .
Величина a дает максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Она называется амплитудой колебания. Величина 0 называется циклической частотой . Величину называют фазой колебания, а ее значение при , т. е. величину – начальной фазой. По истечении времени
фаза получает приращение , а колеблющаяся точка возвращается в свое исходное положение с сохранением начального направления движения. Время T называется периодом колебания.
Скорость колеблющейся точки найдется дифференцированием выражения (6.1) по времени. Это дает
Дифференцируя вторично, получаем ускорение
или, используя (6.1),
Сила, действующая на материальную точку при гармоническом колебании, равна
. (6.6)
Она пропорциональна отклонению x и имеет противоположное направление. Она всегда направлена к положению равновесия.
Рассмотрим гармонические колебания груза на пружине, один конец которой закреплен, а к другому подвешено тело массы m (рис. 6.2). Пусть – длина не деформированной пружины. Если пружину растянуть или сжать до длины l , то возникает сила F , стремящаяся вернуть тело в положение равновесия. При небольших растяжениях справедлив закон Гука – сила пропорциональна растяжению пружины: . В этих условиях уравнение движения тела имеет вид
Постоянная k называется коэффициентом упругости или жесткости пружины. Знак минус означает, что сила F направлена в сторону, противоположную смещению x , т. е. к положению равновесия.
При выводе уравнения (6.7) предполагалось, что никакие другие силы на тело не действуют. Покажем, что тому же уравнению подчиняется движение тела, подвешенного на пружине в однородном поле тяжести. Обозначим в этом случае буквой X удлинение пружины, т. е. разность . Пружина тянет груз вверх с силой , сила тяжести – вниз. Уравнение движения имеет вид
Пусть означает удлинение пружины в положении равновесия. Тогда 
. Исключая вес , получим 
. Ведем обозначение , тогда уравнение движения примет прежний вид (6.7). Величина x по-прежнему означает смещение груза из положения равновесия. Однако положение равновесия смещается под действием силы тяжести. Кроме того, при наличии тяжести меняется смысл величины . Теперь она означает равнодействующую сил натяжения пружины и веса груза. Но все это не затрагивает математическую сторону процесса. Поэтому можно рассуждать так, как если бы силы тяжести совсем не было. Так мы и поступим.
Результирующая сила имеет такой же вид, что и сила в выражении (6.6). Если положить , то уравнение (6.7) перейдет в
. (6.8)
Это уравнение совпадает с уравнением (6.5). Функция (6.1) является решением такого уравнения при любых значениях постоянных a и a. Это есть общее решение. Из изложенного следует, что груз на пружине будет совершать гармонические колебания с круговой частотой
и периодом
. (6.10)
Колебания, описываемые уравнением (6.8) являются свободными (или собственными ).
Потенциальная и кинетическая энергии тела даются выражениями
. (6.11)
Каждая из них меняется во времени. Однако их сумма E во времени должна оставаться постоянной:
(6.12)
Все изложенное здесь применимо к гармоническим колебаниям любых механических систем с одной степенью свободы. Мгновенное положение механической системы с одной степенью свободы может быть определено с помощью какой-либо одной величины q , называемой обобщенной координатой, например, угла поворота, смещения вдоль некоторой линии и пр. Производная обобщенной координаты по времени называется обобщенной скоростью. При рассмотрении колебаний механических систем с одной степенью свободы за исходное удобнее брать не уравнение движения Ньютона, а уравнение энергии. Допустим, что механическая система такова, что ее потенциальная и кинетическая энергии выражаются формулами вида
, (6.14)
где d и b – положительные постоянные (параметры системы). Тогда закон сохранения энергии приводит к уравнению
. (6.15)
Оно отличается от уравнения (6.12) только обозначениями, что при математическом рассмотрении не имеет значения. Из математической тождественности уравнений (6.12) и (6.15) следует, что и общие решения их одинаковы. Поэтому, если уравнение энергии приводится к виду (6.15), то
, (6.16)
т. е. обобщенная координата q совершает гармоническое колебание с круговой частотой
Простейшим видом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых смещение колеблющейся точки от положения равновесия изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса.
Так, при равномерном вращении шарика по окружности его проекция (тень в параллельных лучах света) совершает на вертикальном экране (рис. 13.2) гармо-ническое колебательное движение.
Смещение от положения равновесия при гармонических колебаниях описывается уравнением (его называют кинематическим законом гармонического движения) вида:
\(x = A \cos \Bigr(\frac{2 \pi}{T}t + \varphi_0 \Bigl)\) или \(x = A \sin \Bigr(\frac{2 \pi}{T}t + \varphi"_0 \Bigl)\)
где х - смешение - величина, характеризующая положение колеблющейся точки в момент времени t относительно положения равновесия и измеряемая расстоянием от положения равновесия до положения точки в заданный момент времени; А - амплитуда колебаний - максимальное смещение тела из положения равновесия; Т - период колебаний - время совершения одного полного колебания; т.е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения физических величин, характеризующих колебание; \(\varphi_0\) - начальная фаза; \(\varphi = \frac{2 \pi}{T}t + \varphi"_0\) - фаза колебании в момент времени t . Фаза колебаний - это аргумент периодической функции, который при заданной амплитуде колебаний определяет состояние колебательной системы (смещение, скорость, ускорение) тела в любой момент времени.
Если в начальный момент времени t 0 = 0 колеблющаяся точка максимально смещена от положения равновесия, то \(\varphi_0 = 0\), а смещение точки от положения равновесия изменяется по закону
\(x = A \cos \frac{2 \pi}{T}t.\)
Если колеблющаяся точка при t 0 = 0 находится в положении устойчивого равновесия, то смещение точки от положения равновесия изменяется по закону
\(x = A \sin \frac{2 \pi}{T}t.\)
Величину V , обратную периоду и равную числу полных колебаний, совершаемых за 1 с, называют частотой колебаний:
\(\nu = \frac{1}{T} \)(в СИ единицей частоты является герц, 1Гц = 1с -1).
Если за время t тело совершает N полных колебаний, то
\(T = \frac{t}{N} ; \nu = \frac{N}{t}.\)
Величину \(\omega = 2 \pi \nu = \frac{2 \pi}{T}\) , показывающую, сколько колебаний совершает тело за 2 \(\pi\) с , называют циклической (круговой) частотой.
Кинематический закон гармонического движения можно записать в виде:
\(x = A \cos(2\pi \nu t + \varphi_0), x = A \cos(\omega t + \varphi_0).\)
Графически зависимость смещения колеблющейся точки от времени изображается косинусоидой (или синусоидой).
На рисунке 13.3, а представлен график зависимости от времени смещения колеблющейся точки от положения равновесия для случая \(\varphi_0=0\), т.е. \(~x=A\cos \omega t.\)
Выясним, как изменяется скорость колеблющейся точки со временем. Для этого найдем производную по времени от этого выражения:
\(\upsilon_x = x" A \sin \omega t = \omega A \cos \Bigr(\omega t + \frac{\pi}{2} \Bigl) ,\)
где \(~\omega A = |\upsilon_x|_m\)- амплитуда проекции скорости на ось х .
Эта формула показывает, что при гармонических колебаниях проекция скорости тела на ось х изменяется тоже по гармоническому закону с той же частотой, с другой амплитудой и опережает по фазе смешение на \(\frac{\pi}{2}\) (рис. 13.3, б).
Для выяснения зависимости ускорения a x (t) найдем производную по времени от проекции скорости:
\(~ a_x = \upsilon_x" = -\omega^2 A \cos \omega t = \omega^2 \cos(\omega t + \pi),\)
где \(~\omega^2 A = |a_x|_m\) - амплитуда проекции ускорения на ось х.
При гармонических колебаниях проекция ускорения опережает смещение по фазе на к (рис. 13,3, в).
Аналогично можно построить графики зависимостей \(~x(t), \upsilon_x (t)\) и \(~a_x(t),\) если \(~x = A \sin \omega t\) при \(\varphi_0=0.\)
Учитывая, что \(A \cos \omega t = x\), формулу для ускорения можно записать
\(~a_x = - \omega^2 x,\)
т.е. при гармонических колебаниях проекция ускорения прямо пропорциональна смещению и противоположна ему по знаку, т.е. ускорение направлено в сторону, противоположную смещению.
Так, проекция ускорения - это вторая производная от смещения а x =х" " , то полученное соотношение можно записать в виде:
\(~a_x + \omega^2 x = 0\) или \(~x"" + \omega^2 x = 0.\)
Последнее равенство называют уравнением гармонических колебаний.
Физическую систему, в которой могут существовать гармонические колебания, называют гармоническим осциллятором, а уравнение гармонических колебаний - уравнением гармонического осциллятора.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 368-370.
