-->
|
|
|
|
|
Ãëàâà 3. Ìåõàíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ § 22. Ãàðìîíè÷åñêèå êîëåáàíèÿÇíàÿ, êàê ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé óñêîðåíèå è êîîðäèíàòà êîëåáëþùåãîñÿ òåëà, ìîæíî íà îñíîâå ìàòåìàòè÷åñêîãî àíàëèçà íàéòè çàâèñèìîñòü êîîðäèíàòû îò âðåìåíè. Óñêîðåíèå — âòîðàÿ ïðîèçâîäíàÿ êîîðäèíàòû ïî âðåìåíè. Ìãíîâåííàÿ ñêîðîñòü òî÷êè, êàê âàì èçâåñòíî èç êóðñà ìàòåìàòèêè, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîèçâîäíóþ êîîðäèíàòû òî÷êè ïî âðåìåíè. Óñêîðåíèå òî÷êè — ýòî ïðîèçâîäíàÿ åå ñêîðîñòè ïî âðåìåíè, èëè âòîðàÿ ïðîèçâîäíàÿ êîîðäèíàòû ïî âðåìåíè. Ïîýòîìó óðàâíåíèå (3.4) ìîæíî çàïèñàòü òàê:
ãäå õ" — âòîðàÿ ïðîèçâîäíàÿ êîîðäèíàòû ïî âðåìåíè. Ñîãëàñíî óðàâíåíèþ (3.11) ïðè ñâîáîäíûõ êîëåáàíèÿõ êîîðäèíàòà õ èçìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì òàê, ÷òî âòîðàÿ ïðîèçâîäíàÿ êîîðäèíàòû ïî âðåìåíè ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ñàìîé êîîðäèíàòå è ïðîòèâîïîëîæíà åé ïî çíàêó. Ãàðìîíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ. Èç êóðñà ìàòåìàòèêè èçâåñòíî, ÷òî âòîðûå ïðîèçâîäíûå ñèíóñà è êîñèíóñà ïî èõ àðãóìåíòó ïðîïîðöèîíàëüíû ñàìèì ôóíêöèÿì, âçÿòûì ñ ïðîòèâîïîëîæíûì çíàêîì.  ìàòåìàòè÷åñêîì àíàëèçå äîêàçûâàåòñÿ, ÷òî íèêàêèå äðóãèå ôóíêöèè òàêèì ñâîéñòâîì íå îáëàäàþò. Âñå ýòî ïîçâîëÿåò ñ ïîëíûì îñíîâàíèåì óòâåðæäàòü, ÷òî êîîðäèíàòà òåëà, ñîâåðøàþùåãî ñâîáîäíûå êîëåáàíèÿ, ìåíÿåòñÿ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïî çàêîíó ñèíóñà èëè êîñèíóñà. Íà ðèñóíêå 3.6 ïîêàçàíî èçìåíåíèå êîîðäèíàòû òî÷êè ñî âðåìåíåì ïî çàêîíó êîñèíóñà.
Ïåðèîäè÷åñêèå èçìåíåíèÿ ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè, ïðîèñõîäÿùèå ïî çàêîíó ñèíóñà èëè êîñèíóñà, íàçûâàþòñÿ ãàðìîíè÷åñêèìè êîëåáàíèÿìè. Âíà÷àëå ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü ãàðìîíè÷åñêèå èçìåíåíèÿ êîîðäèíàòû.  äàëüíåéøåì îçíàêîìèìñÿ ñ ãàðìîíè÷åñêèìè èçìåíåíèÿìè äðóãèõ âåëè÷èí. Àìïëèòóäà êîëåáàíèé. Àìïëèòóäîé ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé íàçûâàåòñÿ ìîäóëü íàèáîëüøåãî ñìåùåíèÿ òåëà îò ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ. Àìïëèòóäà ìîæåò èìåòü ðàçëè÷íûå çíà÷åíèÿ â çàâèñèìîñòè îò òîãî, íàñêîëüêî ìû ñìåùàåì òåëî îò ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè, èëè îò òîãî, êàêàÿ ñêîðîñòü ñîîáùàåòñÿ òåëó. Àìïëèòóäà îïðåäåëÿåòñÿ íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè, à òî÷íåå ýíåðãèåé, ñîîáùàåìîé òåëó. Íî ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ìîäóëÿ ñèíóñà è ìîäóëÿ êîñèíóñà ðàâíû åäèíèöå. Ïîýòîìó ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (3.11) íå ìîæåò âûðàæàòüñÿ ïðîñòî ñèíóñîì èëè êîñèíóñîì. Îíî äîëæíî èìåòü âèä ïðîèçâåäåíèÿ àìïëèòóäû êîëåáàíèé õò íà ñèíóñ èëè êîñèíóñ. Ð å ø å í è å óðàâíåíèÿ, îïèñûâàþùåãî ñâîáîäíûå êîëåáàíèÿ. Çàïèøåì ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (3.11) â ñëåäóþùåì âèäå:
 ýòîì ñëó÷àå ïåðâàÿ ïðîèçâîäíàÿ ïðèíèìàåò âèä
à âòîðàÿ ïðîèçâîäíàÿ áóäåò ðàâíà:
Ìû ïîëó÷èëè óðàâíåíèå (3.11). Ñëåäîâàòåëüíî, ôóíêöèÿ (3.12) åñòü ðåøåíèå èñõîäíîãî óðàâíåíèÿ (3.11). Ðåøåíèåì ýòîãî óðàâíåíèÿ áóäåò òàêæå ôóíêöèÿ Îáîçíà÷èì ïîñòîÿííóþ âåëè÷èíó
õ = xm cos ω0t. (3.14) Ñàìî æå óðàâíåíèå (3.11) ïðèíèìàåò âèä
Ãðàôèê çàâèñèìîñòè êîîðäèíàòû òåëà îò âðåìåíè ñîãëàñíî (3.14) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîñèíóñîèäó (ñì. ðèñ. 3.6). Ïåðèîä è ÷àñòîòà ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé. Ïðè êîëåáàíèÿõ äâèæåíèÿ òåëà ïåðèîäè÷åñêè ïîâòîðÿþòñÿ. Ïðîìåæóòîê âðåìåíè Ò, çà êîòîðûé ñèñòåìà ñîâåðøàåò îäèí ïîëíûé öèêë êîëåáàíèé, íàçûâàåòñÿ ïåðèîäîì êîëåáàíèé. Çíàÿ ïåðèîä, ìîæíî îïðåäåëèòü ÷àñòîòó êîëåáàíèé, ò. å. ÷èñëî êîëåáàíèé â åäèíèöó âðåìåíè, íàïðèìåð çà ñåêóíäó. Åñëè îäíî êîëåáàíèå ñîâåðøàåòñÿ çà âðåìÿ Ò, òî ÷èñëî êîëåáàíèé çà ñåêóíäó
 Ìåæäóíàðîäíîé ñèñòåìå åäèíèö (ÑÈ) ÷àñòîòà êîëåáàíèé ðàâíà åäèíèöå, åñëè çà ñåêóíäó ñîâåðøàåòñÿ îäíî êîëåáàíèå. Åäèíèöà ÷àñòîòû íàçûâàåòñÿ ãåðöåì (ñîêðàùåííî: Ãö) â ÷åñòü íåìåöêîãî ôèçèêà Ã. Ãåðöà. ×èñëî êîëåáàíèé çà 2π ñ ðàâíî:
Âåëè÷èíà ω0 — öèêëè÷åñêàÿ, èëè êðóãîâàÿ, ÷àñòîòà êîëåáàíèé. Åñëè â óðàâíåíèè (3.14) âðåìÿ t ðàâíî îäíîìó ïåðèîäó, òî ω0Ò = 2π. Òàêèì îáðàçîì, åñëè â ìîìåíò âðåìåíè t = 0 õ = õm, òî è â ìîìåíò âðåìåíè t = Ò õ = õm, ò. å. ÷åðåç ïðîìåæóòîê âðåìåíè, ðàâíûé îäíîìó ïåðèîäó, êîëåáàíèÿ ïîâòîðÿþòñÿ. ×àñòîòó ñâîáîäíûõ êîëåáàíèé íàçûâàþò ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû1. 1 ×àñòî â äàëüíåéøåì äëÿ êðàòêîñòè ìû áóäåì íàçûâàòü öèêëè÷åñêóþ ÷àñòîòó ïðîñòî ÷àñòîòîé. Îòëè÷èòü öèêëè÷åñêóþ ÷àñòîòó îò îáû÷íîé ÷àñòîòû ìîæíî ïî îáîçíà÷åíèÿì. Çàâèñèìîñòü ÷àñòîòû è ïåðèîäà ñâîáîäíûõ êîëåáàíèé îò ñâîéñòâ ñèñòåìû. Ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé òåëà, ïðèêðåïëåííîãî ê ïðóæèíå, ñîãëàñíî óðàâíåíèþ (3.13) ðàâíà:
Îíà òåì áîëüøå, ÷åì áîëüøå æåñòêîñòü ïðóæèíû k, è òåì ìåíüøå, ÷åì áîëüøå ìàññà òåëà m. Ýòî ëåãêî ïîíÿòü: æåñòêàÿ ïðóæèíà ñîîáùàåò òåëó áîëüøåå óñêîðåíèå, áûñòðåå ìåíÿåò ñêîðîñòü òåëà. À ÷åì òåëî ìàññèâíåå, òåì ìåäëåííåå îíî èçìåíÿåò ñêîðîñòü ïîä âëèÿíèåì ñèëû. Ïåðèîä êîëåáàíèé ðàâåí:
Ðàñïîëàãàÿ íàáîðîì ïðóæèí ðàçëè÷íîé æåñòêîñòè è òåëàìè ðàçëè÷íîé ìàññû, íåòðóäíî óáåäèòüñÿ íà îïûòå, ÷òî ôîðìóëû (3.13) è (3.18) ïðàâèëüíî îïèñûâàþò õàðàêòåð çàâèñèìîñòè ω0 è Ò îò k è m. Çàìå÷àòåëüíî, ÷òî ïåðèîä êîëåáàíèé òåëà íà ïðóæèíå è ïåðèîä êîëåáàíèé ìàÿòíèêà ïðè ìàëûõ óãëàõ îòêëîíåíèÿ íå çàâèñÿò îò àìïëèòóäû êîëåáàíèé. Ìîäóëü êîýôôèöèåíòà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó óñêîðåíèåì àτ è ñìåùåíèåì õ â óðàâíåíèè (3.10), îïèñûâàþùåì êîëåáàíèÿ ìàÿòíèêà, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé, êàê è â óðàâíåíèè (3.11), êâàäðàò öèêëè÷åñêîé ÷àñòîòû. Ñëåäîâàòåëüíî, ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé ìàòåìàòè÷åñêîãî ìàÿòíèêà ïðè ìàëûõ óãëàõ îòêëîíåíèÿ íèòè îò âåðòèêàëè çàâèñèò îò äëèíû ìàÿòíèêà è óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ:
Ïåðèîä æå ýòèõ êîëåáàíèé ðàâåí:
Ýòà ôîðìóëà áûëà âïåðâûå ïîëó÷åíà è ïðîâåðåíà íà îïûòå ãîëëàíäñêèì ó÷åíûì Ã. Ãþéãåíñîì — ñîâðåìåííèêîì È. Íüþòîíà. Îíà ñïðàâåäëèâà òîëüêî äëÿ ìàëûõ óãëîâ îòêëîíåíèÿ íèòè. Ïåðèîä êîëåáàíèé âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì äëèíû ìàÿòíèêà. Îò ìàññû ìàÿòíèêà îí íå çàâèñèò. Ýòî ëåãêî ïðîâåðèòü íà îïûòå ñ ðàçëè÷íûìè ìàÿòíèêàìè. Çàâèñèìîñòü ïåðèîäà êîëåáàíèé îò óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ òàêæå ìîæíî îáíàðóæèòü. ×åì ìåíüøå g, òåì áîëüøå ïåðèîä êîëåáàíèé ìàÿòíèêà è, ñëåäîâàòåëüíî, òåì ìåäëåííåå èäóò ÷àñû ñ ìàÿòíèêîì. Òàê, ÷àñû ñ ìàÿòíèêîì â âèäå ãðóçà íà ñòåðæíå îòñòàíóò çà ñóòêè ïî÷òè íà 3 ñ, åñëè èõ ïîäíÿòü èç ïîäâàëà íà âåðõíèé ýòàæ Ìîñêîâñêîãî óíèâåðñèòåòà (âûñîòà 200 ì). È ýòî òîëüêî çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ñ âûñîòîé. Çàâèñèìîñòü ïåðèîäà êîëåáàíèé ìàÿòíèêà îò çíà÷åíèÿ g èñïîëüçóåòñÿ íà ïðàêòèêå. Èçìåðÿÿ ïåðèîä êîëåáàíèé, ìîæíî î÷åíü òî÷íî îïðåäåëèòü g. Óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ìåíÿåòñÿ ñ ãåîãðàôè÷åñêîé øèðîòîé. Íî è íà äàííîé øèðîòå îíî íå âåçäå îäèíàêîâî. Âåäü ïëîòíîñòü çåìíîé êîðû íå âñþäó îäèíàêîâà.  ðàéîíàõ, ãäå çàëåãàþò ïëîòíûå ïîðîäû, óñêîðåíèå g íåñêîëüêî áîëüøåå. Ýòî ó÷èòûâàþò ïðè ïîèñêàõ ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ. Òàê, æåëåçíàÿ ðóäà îáëàäàåò ïîâûøåííîé ïëîòíîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûìè ïîðîäàìè. Ïðîâåäåííûå ïîä ðóêîâîäñòâîì àêàäåìèêà À. À. Ìèõàéëîâà èçìåðåíèÿ óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ïîä Êóðñêîì ïîçâîëèëè óòî÷íèòü ìåñòà çàëåãàíèÿ æåëåçíîé ðóäû. Ñíà÷àëà îíè áûëè îáíàðóæåíû ïîñðåäñòâîì ìàãíèòíûõ èçìåðåíèé. Ñâîéñòâà ìåõàíè÷åñêèõ êîëåáàíèé èñïîëüçóþòñÿ â óñòðîéñòâàõ áîëüøèíñòâà ýëåêòðîííûõ âåñîâ. Âçâåøèâàåìîå òåëî êëàäóò íà ïëàòôîðìó, ïîä êîòîðîé óñòàíîâëåíà æåñòêàÿ ïðóæèíà.  ðåçóëüòàòå âîçíèêàþò ìåõàíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ, ÷àñòîòà êîòîðûõ èçìåðÿåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèì äàò÷èêîì. Ìèêðîïðîöåññîð, ñâÿçàííûé ñ ýòèì äàò÷èêîì, ïåðåâîäèò ÷àñòîòó êîëåáàíèé â ìàññó âçâåøèâàåìîãî òåëà, òàê êàê ýòà ÷àñòîòà çàâèñèò îò ìàññû. Ïîëó÷åííûå ôîðìóëû (3.18) è (3.20) äëÿ ïåðèîäà êîëåáàíèé ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî ïåðèîä ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû (æåñòêîñòè ïðóæèíû, äëèíû íèòè è ò. ä.)
|
|
|