Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах. Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания встречаются в различных системах и процессах.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Об этом вы узнаете, если посмотрите ответвление к уроку. Зависимость E t при свободных колебаниях Вы уже знаете, что энергия во время колебаний непрерывно меняется: кинетическая переходит в потенциальную и наоборот. Логично, что так же, как и координата, скорость, и ускорение, энергия будет меняться по гармоническому закону. Убедимся в этом. Давайте рассмотрим превращение колебаний на примере математического маятника, но расчеты будем вести для пружинного маятника — в данном случае это проще. Итак, как же происходит превращение энергии при колебаниях маятника? В верхней точке максимальна потенциальная энергия, а кинетическая равна 0 см. Верхняя точка математического маятника Когда отпустим маятник, он начнет колебаться. Рассмотрим маятник, когда он проходит положение равновесия: здесь кинетическая максимальная, а потенциальная 0.
Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см. Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:. Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:.
Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент. Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения. Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически?
Это можно сделать двумя способами. Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его.
Работа внешней силы, которая обеспечивает колебательную систему энергией, при этом является положительной. Благодаря ей колебания не затухают и могут противодействовать силам трения. Внешняя сила не обязательно должна быть постоянной. С течением времени она может изменяться по разным законам.
Момент инерции - это величина, зависящая от массы тела, его размеров и положения относительно оси вращения. Вычисляется момент инерции по специальным формулам. Гармонические колебания и их характеристики. Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени, то есть колебания - периодические изменения какой-либо величины. В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания. В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные или собственные колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания. Колебания называются периодическими, если значения всех физических величин, изменяющихся при колебаниях системы, повторяются через равные промежутки времени. Период - это время, за которое совершается одно полное колебание: ,.
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. Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод. Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом. При каждом колебании маятника зубец ходового колеса толкает анкерную вилку в направлении движения маятника, передавая ему некоторую порцию энергии, которая компенсирует потери энергии на трение.
Характеристики затухающих колебаний
- Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
- Механические колебания
- Что такое незатухающие колебания
- Незатухающие колебания. Автоколебания
- Основные понятия
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Свободные колебания — это раскачивающийся маятник, часовой балансир, скачущий мяч, звенящая струна. В зависимости от того, полезны или вредны колебания, для их усиления или ослабления принимают соответствующие меры. Так, в случае с часовым маятником снижают потери, а с деталями и агрегатами механизмов и устройств используют специальные элементы — демпферы и амортизаторы. Причины колебаний в разных системах Собственные незатухающие колебания — это, скорее, теоретическое явление. В разных системах и причины затухания колебания будут разными. К примеру, в случае с механической это наличие трения, а в случае с электромагнитным контуром — потеря тепла в проводниках, которые формируют систему. Когда будут израсходована вся энергия, запасенная колебательной системой, завершатся и колебания. Амплитуда их движения будет снижаться и стремиться к нулю до тех пор, пока не достигнет этого показателя.
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.
Рассмотрим, какие механические колебания называются затухающими, какими свойствами обладают. Наведём примеры таких явлений в природе, быту, промышленности. Определение и характеристики затухающих колебаний Затухающими называют колебания, энергия которых с течением времени постепенно снижается. Бесконечно длиться такой процесс не может из-за сопротивления — сил трения и прочих явлений, тормозящих движение, препятствующих ему.
Вот почему свободные колебания являются затухающими. Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля.
Амплитуда зависит от времени. Частота и период зависят от степени затухания колебаний.
Основные параметры: 1. Скоростью затухания колебаний принято называть величину, которая прямо пропорциональна силе затухания колебаний.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Частота и период зависят от степени затухания колебаний. Фаза и начальная фаза имеют тот же смысл, что и для незатухающих колебаний. Механические затухающие колебания Механическая система: пружинный маятник с учетом сил трения. Силы, действующие на маятник: Упругая сила. Сила сопротивления. Рассмотрим силу сопротивления, пропорциональную скорости v движения такая зависимость характерна для большого класса сил сопротивления :.
Знак "минус" показывает, что направление силы сопротивления противоположно направлению скорости движения тела. Учитывая, что , запишем второй закон Ньютона в виде:. В новых обозначениях дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид:. Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка. Уравнение затухающих колебаний есть решение такого дифференциального уравнения:.
При каждом толчке батарея отдаёт порцию энергии, часть которой идёт на подъём груза. А в самой батарее энергия появляется за счёт химической реакции. Система сама управляет действующей на неё силой и сама регулирует поступление энергии от источника. Колебания не затухают потому, что за каждый период батарея отдаёт столько энергии, сколько расходуется системой за то же время на трение и другие потери. Период таких колебаний практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, то есть определяется жёсткостью пружины и массой груза. Подобным же образом поддерживаются незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, питающимся от сети через понижающий трансформатор.
Здесь периодические толчки создаются электромагнитом, притягивающим якорёк, укреплённый на молоточке. Якорь притягивается, и боёк, связанный с ним, ударяет по чашечке звонка. При притягивании якоря между ним и винтом 3 образуется зазор, ток прерывается, электромагнит обесточивается, и якорь силой пружины 4 возвращается в исходное положение. Цепь электромагнита при этом снова замыкается, и боёк ещё раз ударяет по чашечке. Так периодически повторяется работа звонка, пока кнопка К нажата. Аналогично можно получить автоколебания со звуковыми частотами, возбудив незатухающие колебания камертона, если между ножками камертона поместить электромагнит 2.
По катушке электромагнита проходит ток, намагничивая сердечник, который притягивает ножку камертона, поднимая её вверх. Цепь размыкается, и ножка камертона под действием силы тяжести опускается вниз.
Амплитуда затухающих колебаний при небольших затуханиях — это наибольшее отклонение от положения равновесия за период. Амплитуда затухающих колебаний постоянно изменяется со временем. И убывает по экспоненциальному закону: 4. Время затухания время релаксации — величина, обратная коэффициенту затухания; время, в течение которого амплитуда уменьшается.
Акустический резонанс С исследования именно этого вида резонанса всё и началось! Галилео Галилей в 1602 году исследовал маятники и струны различных музыкальных инструментов. Открытия, сделанные им, позволили сделать ряд выводов и создать новую отрасль физики — учение о звуковых колебаниях. Акустический резонанс — это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых совпадает с одной из ее собственных частот вибрации ее резонансными частотами.
Благодаря акустическому резонансу музыкальные инструменты способны работать, воспроизводить звучание особенным образом. Большую роль в этом играет форма инструмента. Звук, который издает струна, попадает внутрь корпуса и вступает там в резонанс со стенками, что в итоге многократно усиливает его. Грушевидная форма гитары, определенная длина флейты, форма барабана не являются результатом случайного выбора — с древних времен, путем проб и экспериментов, именно это строение каждого инструмента было выбрано из-за наилучшего акустического резонанса. Характеристики струны также влияют на этот показатель: акустический резонанс зависит от длины, массы и силы натяжения струны. Формула для расчета частоты резонанса в акустике: где — сила натяжения, — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны.
Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
Так, в случае с часовым маятником снижают потери, а с деталями и агрегатами механизмов и устройств используют специальные элементы — демпферы и амортизаторы. Причины колебаний в разных системах Собственные незатухающие колебания — это, скорее, теоретическое явление. В разных системах и причины затухания колебания будут разными. К примеру, в случае с механической это наличие трения, а в случае с электромагнитным контуром — потеря тепла в проводниках, которые формируют систему. Когда будут израсходована вся энергия, запасенная колебательной системой, завершатся и колебания. Амплитуда их движения будет снижаться и стремиться к нулю до тех пор, пока не достигнет этого показателя. Затухающие колебания собственные и присутствующие в системах можно рассматривать с одной и той же позиции — общих качеств. Но при этом такие признаки как период и амплитуда нуждаются в переопределении, а прочие требуют дополнения и уточнения, если сравнивать их с аналогичными признаками собственных незатухающих колебаний.
Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо. Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре. А как можно повлиять на величину М? Оказывается, она увеличится, если намотать побольше витков в дополнительной катушке или если эту катушку расположить поближе к катушке контура. Нужно сказать, что достаточный для генерации коэффициент М на практике получить довольно просто. Лучше выбрать эту величину с некоторым запасом — при этом получится контур не только без потерь, но даже с подкачкой энергии от внешнего источника с «отрицательными» потерями. При включении генератора амплитуда колебаний сначала будет возрастать, но через некоторое время установится — энергия, поступающая в контур за один период, станет равной потерям энергии за то же время. И действительно, при увеличении амплитуды напряжения на конденсаторе управляющее напряжение полевого транзистора транзистор начинает усиливать хуже, поскольку при большом отрицательном напряжении ток в цепи канала прекращается, а при положительных напряжениях переход начинает открываться, что тоже увеличивает потери в контуре. В результате колебания получаются не совсем синусоидальными, но, если потери в контуре невелики, искажения незначительны. Для того чтобы использовать полученные колебания — а ведь именно для этого и делается генератор,— нужно либо подключиться непосредственно к контуру, либо намотать еще одну катушку.
Однако из-за сил трения свободные колебания в определенный момент затухают, поэтому по прошествии времени в системе сохраняются лишь стационарные колебания с той частотой, которая соответствует внешней вынуждающей силе. Пример 1 Разберем пример. У нас есть тело на пружине, совершающее вынужденные колебания см. Приложим внешнюю силу, обозначенную F.
Незатухающие колебания Колебания, амплитуда которых не убывает со временем, а остается постоянной. Возбуждение незатухающих электрических колебаний Для возбуждения и поддержания незатухающих электрических колебаний к контуру следует все время подводить энергию от внешнего источника, которая компенсировала бы потери энергии на теплоту и электромагнитное излучение. Для этого можно применить триод. На рис. В анодное круг триода включен последовательно колебательному контуру, батарее Ба, в цепи сетки — катушка Lc, связанная индуктивно с катушкой L колебательного контура. Далее конденсатор разряжается через катушку индуктивности, а в контуре, возникнут синусоидальные электрические колебания. Однако угасающий синусоидальный ток, проходя через катушку L контура, возбуждает в катушке Lc ЭДС индукции.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Поэтому амплитуда затухающих колебаний уменьшается, пока не станет равной нулю. Затухающие колебания, как и собственные, в системах, разных по своей природе, можно рассматривать с единой точки зрения — общих признаков. Однако, такие характеристики, как амплитуда и период, требуют переопределения, а другие — дополнения и уточнения по сравнению с такими же признаками для собственных незатухающих колебаний. Общие признаки и понятия затухающих колебаний следующие: Дифференциальное уравнение должно быть получено с учетом убывания в процессе колебаний колебательной энергии. Уравнение колебаний — решение дифференциального уравнения. Амплитуда затухающих колебаний зависит от времени.
Частота и период зависят от степени затухания колебаний. Фаза и начальная фаза имеют тот же смысл, что и для незатухающих колебаний. Механические затухающие колебания Механическая система: пружинный маятник с учетом сил трения. Силы, действующие на маятник: Упругая сила. Сила сопротивления.
Смысл, который вкладывался в понятие периода для незатухающих колебаний, не подходит для затухающих колебаний, так как колебательная система никогда не возвращается в исходное состояние из-за потерь колебательной энергии. При наличии трения колебания идут медленнее:. Периодом затухающих колебаний называется минимальный промежуток времени, за который система проходит дважды положение равновесия в одном направлении.
Для механической системы пружинного маятника имеем: , , для пружинного маятника. Поэтому определение для амплитуды, данное ранее для незатухающих свободных колебаний, для затухающих колебаний надо изменить. При небольших затуханиях амплитудой затухающих колебаний называется наибольшее отклонение от положения равновесия за период.
Графики зависимости смещения от времени и амплитуды от времени представлены на Рисунках 3. Рисунок 3. Электромагнитные затухающие колебания Электромагнитные затухающие колебания возникают в электромагнитной колебательной систему, называемой LCR — контур Рисунок 3.
Дифференциальное уравнение получим с помощью второго закона Кирхгофа для замкнутого LCR — контура: сумма падений напряжения на активном сопротивлении R и конденсаторе С равна ЭДС индукции, развиваемой в цепи контура: Падение напряжения: , где I — сила тока в контуре; - на конденсаторе С : , где q — величина заряда на одной из обкладок конденсатора. ЭДС, развиваемая в контуре — это ЭДС индукции, возникающая в катушке индуктивности при изменении тока в ней, а следовательно, и магнитного потока сквозь ее сечение: закон Фарадея.
Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля. Затраты имеют различный характер, зависящий от условий: преодоление сопротивления воздуха жидкости качающимся на пружине грузом, трение шариков в подшипнике о внутреннее и внешнее кольца. Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться. Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих.
Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Они актуальны для упрощения решения практических задач: где не требуется высокая точность; поставленных с целью обучения школьников решать их; в системах, которые совершают много циклов до заметного снижения амплитуды.
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. В организмах постоянно происходят колебательные процессы - пульс, дыхание, электрическая активность мозга. Ритмические сокращения сердечной мышцы обеспечивают кровообращение.
Вдохи и выдохи создают колебательные движения воздуха в легких. Звуковые колебания. Звук представляет собой упругие волны в воздухе, возникающие при колебаниях источника. Музыкальные инструменты.
Гармонические колебания и их характеристики.
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 служить колебание маятника с нулевым затуханием. Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием. Возбуждение незатухающих электрических колебаний возможно с помощью других методов, но все они подобны описанному.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Примерами незатухающих колебаний являются колебания в маятниках, электрических схемах, контурах RLC и др. Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление. Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Незатухающими колебаниями могут быть только те, которые совершаются под действием периодической внешней силы (вынужденные колебания). Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение.
Понятие резонанса
- Что такое автоколебательные системы
- Примеры затухающих колебаний
- Свободные незатухающие колебания
- Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Явление резонанса
Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко применяются в различных областях науки и техники. Примерами незатухающих колебаний могут служить колебания маятников в. Незатухающие колебания характеризуются постоянством и регулярностью амплитуды, частоты и фазы. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения.