Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения.
Характеристика затухающих колебаний, какие колебания называют затухающими
Пример 1 Разберем пример. У нас есть тело на пружине, совершающее вынужденные колебания см. Приложим внешнюю силу, обозначенную F.
Зависимость силы от времени Мы прекрасно понимаем, что если мы будем воздействовать на качели постоянно, то они не будут колебаться. Колебания системы, совершающие ею под действием внешней периодической силы, называются вынужденными. Силу, являющейся мерой этого внешнего воздействия, называют вынуждающей.
При этом, как вы понимаете, мы уже не можем считать систему замкнутой, то есть в системе уже не совершаются свободные колебания — в системе совершаются вынужденные колебания. Примерами систем, в которых совершаются вынужденные колебания, могут быть также в полнее привычные вам часы — это могут быть настенные маятниковые часы, а могут быть и обычные пружинные механические часы. В каждом таком случае колебания совершаются за счет подвода энергии извне. Вынужденные колебания Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. О них подробнее мы говорили на предыдущих занятиях. Давайте поговорим о некоторых характерных особенностях затухающих колебаний и вынужденных колебаний.
Начнем с затухающих колебаний. Как вы уже знаете, любая реальная колебательная система — затухающая, ведь нам всегда приходится преодолевать силу трения или силу сопротивления. Если мы говорим об электромагнитных колебаниях, то там тоже есть факторы, вызывающие их затухания, — это сопротивление проводников. Итак, как же выглядят затухающие колебания? Если вывести маятник из положения равновесия, то со временем его колебания затухают, здесь два основных фактора: сопротивление воздуха, а также трение в подвесе. Здесь речь идет об амплитуде колебаний, то есть максимальном отклонении от положения равновесия.
Со временем амплитуда становится все меньше, меньше и меньше — именно этот факт отображен на рисунке см. Уменьшение амплитуды колебаний Обратите внимание: колебания все равно остаются периодическими, но амплитуда непрерывно уменьшается — колебания затухают. Хорошо это или плохо — смотря для чего. Если речь идет о часах, то плохо, поскольку хотелось бы, чтоб затухание было как можно меньше, а колебания — больше, чтобы нам не доводилось подводить дополнительную энергию. Но есть и обратная сторона: если распахнуть двери и бросить их, то нам будет хотеться, чтобы они колебались как можно меньше. Для этого на двери ставят демпферы — гасители колебаний.
Теперь переходим к вынужденным колебаниям. Представим себе, что мы раскачиваем брата или сестру на качелях: если мы толкнем качели один раз, то они рано или поздно остановятся. Поэтому мы продолжаем раскачивать качели, и тем самым колебания из свободных становятся вынужденными, потому что появляется некая внешняя сила. Какой же характеристикой должна обладать эта внешняя сила? Эта сила обязательно должна меняться во времени, должна быть периодической. И тут нужно поговорить о двух частотах: собственная частота колебаний — та частота, с которой бы колебалась система, если бы она была выведена из равновесия и больше её никто не сообщал её энергию то есть никто бы больше не раскачивал её , и частота внешней силы — это та частота, с которой будут раскачивать качели.
Запомните, чтобы колебания были вынужденными, внешняя сила должна периодически меняться. Во время затухающих колебаний энергия системы непрерывно уменьшается, а во время вынужденных колебаний энергия подводится к системе извне.
Функциональная схема автоколебательной системы Примером механической автоколебательной системы может служить часовой механизм с анкерным ходом рис. Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер якорек с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменена пружиной, а маятник — балансиром — маховичком, скрепленным со спиральной пружиной. Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир.
Источником энергии — поднятая вверх гиря или заведенная пружина.
В качестве примера рассмотрим колебания тела, подвешенного на невесомой пружине, возникающие после того, как тело отклонили вниз, а затем отпустили рис. Колебания тела на пружине Со стороны растянутой пружины на тело действует упругая сила F, пропорциональная величине смещения х: Постоянный множитель k называется жесткостью пружины и зависит от ее размеров и материала. Знак «-» указывает, что сила упругости всегда направлена в сторону, противоположную направлению смещения, то есть к положению равновесия. При отсутствии трения упругая сила 1. Эту частоту называют собственной. Таким образом, свободные колебания при отсутствии трения являются гармоническими, если при отклонении от положения равновесия возникает упругая сила 1. Собственная круговая частота является основной характеристикой свободных гармонических колебаний.
Эта величина зависит только от свойств колебательной системы в рассматриваемом случае - от массы тела и жесткости пружины.
3. Затухающие колебания
- Характеристики затухающих колебаний
- § 27. Незатухающие электромагнитные колебания
- Свободные незатухающие колебания
- Свободные незатухающие механические колебания.
- Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
Явление резонанса
ударь по своему стоячему члену, вот пример колебаний которые затухают. Основным примером незатухающих колебаний являются механические колебания в форме маятников. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания встречаются в различных физических системах и процессах. Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. Примером незатухающих колебаний может быть колебания маятника или электрическое колебание в резонансном контуре.
Гармонические колебания и их характеристики.
ударь по своему стоячему члену, вот пример колебаний которые затухают. Другим примером незатухающих колебаний является электромагнитные колебания, которые возникают в радиочастотных колебательных контурах. Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах. Основным примером незатухающих колебаний являются механические колебания в форме маятников. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2.
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
Так между сеткой и катодом образуется переменное напряжение. Это напряжение регулирует энергию, подводится от источника к колебательному контуру. В отрицательный полупериод когда на сетке отрицательный потенциал на катоде - положительный лампа «заперта» и источник тока не работает. Напротив, в положительную полупериод когда на сетке положительный потенциал, на катоде - отрицательный источник Ба создает анодный ток, пополняя энергию колебательного контура, которая расходуется на теплоту и электромагнитное излучение. Благодаря этому в контуре существуют незатухающие колебания. Полупроводниковые генераторы электрических колебаний Кроме генераторов на электронных лампах широко используют полупроводниковые генераторы электрических колебаний - на транзисторах. По структуре они аналогичны рис.
Релаксационные колебания. Во всех упоминавшихся выше примерах автоколебательных систем обязательным элементом являлся резонатор. Другими словами, в отсутствие обратной связи в этих системах возможны собственные затухающие колебания.
При наличии обратной связи в них устанавливаются самоподдерживающиеся почти синусоидальные колебания. Частота таких колебаний задается резонатором. Но автоколебания могут происходить и в системах, не содержащих резонатора.
Колебания при этом, как правило, не являются гармоническими. Типичный пример релаксационных колебаний Типичными примерами таких систем могут служить генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе и гидравлическое устройство, показанное на рис. В сосуд, снабженный сифоном С, с постоянной скоростью натекает вода из крана К.
Пока сифон не заполнен водой, уровень воды в сосуде растет со временем по линейному закону. Но как только уровень достигает высоты сифон срабатывает и уровень воды в сосуде падает до значения после чего сосуд снова начинает заполняться водой из крана. Скорость опорожнения сосуда через сифон можно сделать гораздо больше скорости его наполнения через кран так как скорость воды в сифоне зависит от разности уровней Далее описанный процесс будет повторяться периодически.
Зависимости уровня воды А и скорости его изменения от времени показаны в правой части рис. Видно, что колебания уровня воды и скорости не являются синусоидальными. Соответствующая этим колебаниям фазовая диаграмма приведена на рис.
Фазовая диаграмма релаксационных колебаний, показанных на рис. Его электрическая схема показана на рис. Неоновая лампа обладает тем свойством, что ток через нее не проходит до тех пор, пока приложенное к лампе напряжение не достигнет определенного значения, называемого напряжением зажигания Если после возникновения тлеющего разряда в лампе напряжение на ней несколько уменьшить, то лампа будет продолжать гореть.
Ток через лампу прекратится лишь тогда, когда напряжение будет уменьшено до определенного значения, называемого напряжением гашения Рис. Генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе При замыкании ключа конденсатор С начинает медленно заряжаться через сопротивление Как только напряжение на конденсаторе достигнет значения, равного напряжению зажигания лампы в лампе возникает газовый разряд и конденсатор начинает быстро разряжаться через лампу, так как сопротивление горящей неоновой лампы очень мало. Когда напряжение на конденсаторе уменьшится до значения гашения разряд в лампе прекращается и конденсатор опять начинает заряжаться.
Затем все повторяется снова.
Рассмотрим их подробнее. Автоколебания При автоколебаниях энергия поступает от внешнего источника и пополняет потери осциллятора за счет обратной связи. Пример - маятниковые часы.
Параметрический резонанс При параметрическом резонансе параметр осциллятора периодически изменяется, вызывая рост амплитуды колебаний. Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодической силы, компенсирующей потери энергии. Автоколебания Автоколебания обеспечивают поддержание незатухающих колебаний за счет обратной связи в системе. Рассмотрим несколько примеров автоколебательных систем.
Маятниковые часы В маятниковых часах маятник связан через кинематическую цепь с заводным механизмом. При опускании маятника он получает импульс энергии от пружины, компенсирующий потери. Генератор на электронной лампе В электронных генераторах лампа усиливает колебания контура, восполняя омические потери в нем. Лазер В лазере обратная связь оптического резонатора поддерживает когерентное излучение активной среды.
Параметрический резонанс При параметрическом резонансе параметр системы жесткость, емкость меняется периодически. Это приводит к накачке энергии в колебательную систему. Параметрический резонанс в механических системах Если периодически изменять длину маятника или жесткость пружины, можно поддерживать рост амплитуды колебаний. Параметрический резонанс в электрических цепях При модуляции емкости конденсатора в контуре возникает параметрический резонанс.
Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают в осцилляторе под действием внешней периодической силы. Пример - действие переменного тока на якорь в звонке. Практическое применение незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры.
Радиотехника В радиопередатчиках незатухающие электромагнитные колебания генерируются с помощью электронных генераторов. Они используются для модуляции и передачи радиосигналов. Генераторы колебаний Существуют ламповые, транзисторные, кварцевые и другие типы генераторов для создания высокостабильных колебаний в радиотехнике.
Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают в осцилляторе под действием внешней периодической силы. Пример - действие переменного тока на якорь в звонке. Практическое применение незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры. Радиотехника В радиопередатчиках незатухающие электромагнитные колебания генерируются с помощью электронных генераторов. Они используются для модуляции и передачи радиосигналов. Генераторы колебаний Существуют ламповые, транзисторные, кварцевые и другие типы генераторов для создания высокостабильных колебаний в радиотехнике. Передатчики В передатчиках колебания генератора модулируются информационным сигналом и излучаются антенной в виде радиоволн. Метрология Высокостабильные незатухающие колебания используются в квантовых эталонах частоты и времени. Квантовые стандарты частоты В качестве эталонов применяются атомные часы на основе квантовых переходов в атомах. Эталоны времени Сверхстабильные генераторы с кварцевым резонатором обеспечивают точность хода эталонных часов. Медицина Незатухающие электрические колебания применяются в электрокардиографии для диагностики сердечной деятельности. Исследования незатухающих колебаний Изучение незатухающих колебаний имеет давнюю историю и продолжается по сей день. В XIX веке Максвелл разработал теорию электромагнитных колебаний. Галилей, Гюйгенс, Ньютон заложили основы исследования механических колебаний. Максвелл, Герц экспериментально обнаружили и описали электромагнитные волны. В настоящее время ведутся работы по созданию сверхстабильных эталонов частоты, по применению незатухающих колебаний в нанотехнологиях. Разрабатываются оптические эталоны частоты на основе лазеров и атомных переходов. Изучаются колебания наномеханических резонаторов, применение их в сенсорике. Дальнейшие исследования незатухающих колебаний позволят расширить возможности науки и техники. Колебания в окружающем мире Незатухающие колебания широко распространены в природе, быту, технике. Давайте рассмотрим некоторые примеры: Колебания в живой природе.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах — автоколебаниями. В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента — колебательная система, источник энергии и устройство обратной связи между колебательной системой и источником. В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания например, маятник настенных часов. Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести. Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника. На рис. Рисунок 2.
Следовательно, утверждение 2 верно. Проверяем истинность утверждения 3, согласно которому модуль силы, с которой пружина действует на груз, в момент времени 1,00 с меньше, чем в момент времени 0,25 с.
Запишем закон Гука: В момент времени 1,00 с координата груза равна —3 см. Так как в данных вычислениях нам нужно лишь сравнить 2 модуля силы, не будем переводить единицы измерения в СИ — для сравнения достаточно, чтобы единицы изменения были одинаковыми. Следовательно, модуль силы упругости в момент времени 1,00 равен: В момент времени 0,25 с координата груза равна 2,1 см. Следовательно, сила упругости равна: Видно, 3k больше 2,1k. Следовательно, утверждение 3 неверно. Проверим истинность утверждения 4, согласно которому период колебаний груза равен 1 с. Одно полное колебание груз совершает, когда оно возвращается в прежнее положение, пройдя все 4 фазы колебания. Следовательно, если груз начал движение, имея координату 3,0, равную максимальному отклонению от положения равновесия, то периодом будет время, которое ему потребуется для того, чтобы преодолеть положение равновесия, отклониться на максимальное расстояние в обратном положении и вернуться в исходное положение, проходя через точку равновесия.
По таблице видно, что половину колебательного движения груз совершил в момент времени 1,00 с, когда он отклонился на максимальное расстояние в противоположную сторону. Следовательно, столько же времени потребуется грузу, чтобы вернуться в исходное положение. Всего время 1 полного колебания, или период колебаний, составит 2 с. Следовательно, утверждение 4 неверно. Проверим истинность утверждения 4, согласно которому частота колебаний груза равна 0,5 Гц. Частота равна обратной величине периода колебаний: Выше мы выяснили, что период равен 2 с. Следовательно, частота колебаний равна: Следовательно, утверждение 5 верно.
Если в системе отсутствуют силы трения, колебания продолжаются бесконечно долго с постоянной амплитудой и называются собственными незатухающими колебаниями. Пружинный маятник - материальная точка массой m, подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы. Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника.
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях: Свободные незатухающие механические колебания. Свободными или собственными называются колебания, которые совершает система около положения равновесия после того, как она каким-либо образом была выведена из состояния устойчивого равновесия и представлена самой себе. Как только тело или система выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия.
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
Еще одним примером незатухающих колебаний является колебания вокруг равновесного положения пружины. Автоколебательные системы – это системы, в которых могут возникать незатухающие колебания безотносительно внешнего воздействия, а лишь за счет способности самостоятельно регулировать подвод энергии от внешнего источника. незатухающие колебания, так как амплитуда и, следовательно, полная энергия колебаний не менялись. Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами. Примерами незатухающих колебаний могут служить колебания маятника или звуковой волны, распространяющейся в открытом пространстве. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания — это колебания системы, которые продолжаются вечно без потери энергии.
Определение затухающих колебаний
- Определение и характеристики затухающих колебаний
- 2.5. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
- Математическое описание
- Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания