ჰარმონიული რხევების დამახასიათებელი გრაფიკა. რყევები

ჩვენ განვიხილეთ რამდენიმე ფიზიკურად სრულიად განსხვავებული სისტემა და დავრწმუნდით, რომ მოძრაობის განტოლებები დაყვანილია იმავე ფორმამდე

ფიზიკურ სისტემებს შორის განსხვავებები ვლინდება მხოლოდ რაოდენობის განსხვავებულ განმარტებებში და ცვლადის განსხვავებული ფიზიკური გაგებით x: ეს შეიძლება იყოს კოორდინატი, კუთხე, მუხტი, დენი და ა.შ. გაითვალისწინეთ, რომ ამ შემთხვევაში, როგორც განტოლების სტრუქტურიდან ჩანს (1.18), რაოდენობას ყოველთვის აქვს შებრუნებული დროის განზომილება.

განტოლება (1.18) აღწერს ე.წ ჰარმონიული ვიბრაციები.

ჰარმონიული რხევების განტოლება (1.18) არის მეორე რიგის წრფივი დიფერენციალური განტოლება (რადგან იგი შეიცავს ცვლადის მეორე წარმოებულს. x). განტოლების წრფივობა ნიშნავს იმას

    თუ რაიმე ფუნქცია x(t)არის ამ განტოლების ამოხსნა, შემდეგ ფუნქცია Cx(t)მისი გამოსავალიც იქნება ( Cარის თვითნებური მუდმივი);

    თუ ფუნქციები x 1 (ტ)და x 2 (ტ)არის ამ განტოლების ამონახსნები, შემდეგ მათი ჯამი x 1 (t) + x 2 (t)ასევე იქნება იგივე განტოლების ამონახსნი.

ასევე დადასტურებულია მათემატიკური თეორემა, რომლის მიხედვითაც მეორე რიგის განტოლებას აქვს ორი დამოუკიდებელი ამონახსნები. ყველა სხვა ამონახსნები, წრფივი თვისებების მიხედვით, შეიძლება მივიღოთ როგორც მათი წრფივი კომბინაციები. პირდაპირი დიფერენციაციის საშუალებით ადვილია იმის შემოწმება, რომ დამოუკიდებელი ფუნქციონირებს და აკმაყოფილებს განტოლებას (1.18). ასე რომ, ამ განტოლების ზოგადი ამონახსნი არის:

სადაც C1,C2არის თვითნებური მუდმივები. ეს გამოსავალი ასევე შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სხვა ფორმით. წარმოგიდგენთ რაოდენობას

და განსაზღვრეთ კუთხე, როგორც:

შემდეგ ზოგადი ამონახსნი (1.19) იწერება როგორც

ტრიგონომეტრიის ფორმულების მიხედვით ფრჩხილებში გამოსახვა არის

ბოლოს მივედით ჰარმონიული რხევების განტოლების ზოგადი ამოხსნაროგორც:

არაუარყოფითი მნიშვნელობა დაურეკა რხევის ამპლიტუდა, - რხევის საწყისი ეტაპი. მთელი კოსინუსის არგუმენტი - კომბინაცია - ეწოდება რხევის ფაზა.

გამონათქვამები (1.19) და (1.23) სრულყოფილად ექვივალენტურია, ამიტომ ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ რომელიმე მათგანი სიმარტივისთვის. ორივე გამოსავალი დროის პერიოდული ფუნქციაა. მართლაც, სინუსი და კოსინუსი პერიოდულია წერტილით . ამრიგად, სისტემის სხვადასხვა მდგომარეობა, რომელიც ასრულებს ჰარმონიულ რხევებს, მეორდება გარკვეული პერიოდის შემდეგ t*, რომლისთვისაც რხევის ფაზა იღებს ნამატს, რომელიც არის ჯერადი :

აქედან გამომდინარეობს, რომ

ყველაზე ნაკლებად ამ დროს

დაურეკა რხევის პერიოდი (სურ. 1.8), ა - მისი წრიული (ციკლური) სიხშირე.

ბრინჯი. 1.8.

ისინი ასევე იყენებენ სიხშირე ყოყმანი

შესაბამისად, წრიული სიხშირე უდრის რხევების რაოდენობას თითოზე წამი.

ასე რომ, თუ სისტემა დროს ხასიათდება ცვლადის მნიშვნელობით x(t),მაშინ, იგივე მნიშვნელობა, ცვლადს ექნება გარკვეული პერიოდის შემდეგ (ნახ. 1.9), ანუ

იგივე მნიშვნელობა, რა თქმა უნდა, რამდენიმე ხნის შემდეგ განმეორდება. 2ტ, ზ.ტდა ა.შ.

ბრინჯი. 1.9. რხევის პერიოდი

ზოგადი ამონახსნი მოიცავს ორ თვითნებურ მუდმივას ( C 1, C 2ან , ), რომელთა მნიშვნელობები უნდა განისაზღვროს ორით საწყისი პირობები. ჩვეულებრივ (თუმცა არა აუცილებლად) მათ როლს ასრულებს ცვლადის საწყისი მნიშვნელობები x(0)და მისი წარმოებული.

ავიღოთ მაგალითი. ჰარმონიული რხევების განტოლების ამონახსნი (1.19) აღწერს ზამბარის ქანქარას მოძრაობას. თვითნებური მუდმივების მნიშვნელობები დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ გამოვიყვანეთ ქანქარა წონასწორობიდან. მაგალითად, ზამბარა შორს გავწიეთ და გაათავისუფლეს ბურთი საწყისი სიჩქარის გარეშე. Ამ შემთხვევაში

ჩანაცვლება t = 0(1.19), ჩვენ ვპოულობთ მუდმივის მნიშვნელობას 2-დან

გამოსავალი ასე გამოიყურება:

დატვირთვის სიჩქარე გამოითვლება დროის მიხედვით დიფერენცირებით

ჩანაცვლება აქ = 0, იპოვეთ მუდმივი 1-დან:

ბოლოს და ბოლოს

(1.23-თან) შედარებით, ჩვენ ვხვდებით, რომ არის რხევის ამპლიტუდა და მისი საწყისი ფაზა ნულის ტოლია: .

ახლა ჩვენ სხვა გზით გამოვიყვანთ ქანქარას წონასწორობიდან. დავარტყით დატვირთვას ისე, რომ მან შეიძინოს საწყისი სიჩქარე, მაგრამ პრაქტიკულად არ მოძრაობს დარტყმის დროს. ჩვენ გვაქვს სხვა საწყისი პირობები:

ჩვენი გამოსავალი ასე გამოიყურება

დატვირთვის სიჩქარე შეიცვლება კანონის მიხედვით:

მოდი აქ დავდოთ:

ჰარმონიული ვიბრაციული მოძრაობა

§1 ჰარმონიული რხევის კინემატიკა

პროცესებს, რომლებიც მეორდება დროთა განმავლობაში, ეწოდება რხევები.

რხევის პროცესის ხასიათიდან და აგზნების მექანიზმიდან გამომდინარე გამოიყოფა: მექანიკური რხევები (ქანქარების, სიმების, შენობების, დედამიწის ზედაპირის და სხვ. რხევები); ელექტრომაგნიტური რხევები (ალტერნატიული დენის რხევები, ვექტორების რხევები და ელექტრომაგნიტურ ტალღაში და ა.შ.); ელექტრომექანიკური ვიბრაციები (ტელეფონის მემბრანის ვიბრაცია, დინამიკის დიფუზორი და ა.შ.); ბირთვების და მოლეკულების ვიბრაცია ატომებში თერმული მოძრაობის შედეგად.

განვიხილოთ სეგმენტი [OD] (რადიუსი-ვექტორი), რომელიც ახორციელებს ბრუნვის მოძრაობას 0 წერტილის გარშემო. სიგრძე |OD| =ა . ბრუნვა ხდება მუდმივი კუთხოვანი სიჩქარით ω 0. შემდეგ კუთხე φ რადიუსის ვექტორსა და ღერძს შორისxდროთა განმავლობაში იცვლება კანონის მიხედვით

სადაც φ 0 არის კუთხე [OD]-სა და ღერძს შორის Xდროზე= 0. სეგმენტის [OD] პროექცია ღერძზე Xდროზე= 0

და დროის თვითნებურ მომენტში

(1)

ამრიგად, სეგმენტის [OD] პროექცია x ღერძზე ირხევა ღერძის გასწვრივ Xდა ეს რყევები აღწერილია კოსინუსის კანონით (ფორმულა (1)).

რხევები, რომლებიც აღწერილია კოსინუსური კანონით

ან სინუსი

დაურეკა ჰარმონიული.

ჰარმონიული ვიბრაციებია პერიოდული, იმიტომ x (და y) მნიშვნელობა მეორდება რეგულარული ინტერვალებით.

თუ სეგმენტი [OD] ფიგურაში ყველაზე დაბალ მდგომარეობაშია, ე.ი. წერტილი პუნქტს ემთხვევა , მაშინ მისი პროექცია x-ღერძზე არის ნული. სეგმენტის ამ პოზიციას [OD] დავარქვათ წონასწორობის პოზიცია. მაშინ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ღირებულება Xაღწერს რხევის წერტილის გადაადგილებას მისი წონასწორობის პოზიციიდან. მაქსიმალური გადაადგილება წონასწორული პოზიციიდან ეწოდება დიაპაზონირყევები

ღირებულება

რომელიც დგას კოსინუსის ნიშნის ქვეშ ფაზა ეწოდება. ფაზაგანსაზღვრავს გადაადგილებას წონასწორობის პოზიციიდან დროის თვითნებურ მომენტში. ფაზა დროის საწყის მომენტში = 0 ფ 0-ის ტოლია საწყის ფაზას უწოდებენ.

დროის მონაკვეთს, რომლის დროსაც ხდება ერთი სრული რხევა, ეწოდება რხევის პერიოდს. . რხევების რაოდენობას დროის ერთეულზე ეწოდება რხევის სიხშირე ν.

პერიოდის ტოლი პერიოდის შემდეგ , ე.ი. რადგან კოსინუსის არგუმენტი იზრდება ω 0-ით , მოძრაობა მეორდება და კოსინუსი იღებს იგივე მნიშვნელობას

რადგან კოსინუსის პერიოდი უდრის 2π, მაშასადამე, ω 0 = 2π

ამრიგად, ω 0 არის სხეულის რხევების რაოდენობა 2π წამში. ω 0 - ციკლური ან წრიული სიხშირე.

ჰარმონიული ტალღის ნიმუში

მაგრამ- დიაპაზონი, - პერიოდი, X- ოფსეტური,- დრო.

რხევის წერტილის სიჩქარეს ვპოულობთ გადაადგილების განტოლების დიფერენცირებით X() დროის მიხედვით

იმათ. სიჩქარე ოფსეტური ოფსეტურით Xზეπ /2.

აჩქარება - სიჩქარის პირველი წარმოებული (გადაადგილების მეორე წარმოებული) დროის მიმართ

იმათ. აჩქარება განსხვავდება ფაზური ცვლისგან π.


მოდით ავაშენოთ გრაფიკი X( ) , y( ) და ა ( ) კოორდინატების ერთ შეფასებაში (სიმარტივისთვის ვიღებთ φ 0 = 0 და ω 0 = 1)

უფასო ან საკუთარი რხევებს, რომლებიც წარმოიქმნება სისტემაში, რომელიც დატოვა წონასწორობიდან გამოყვანის შემდეგ, ეწოდება.

ჰარმონიული რხევა არის გარკვეული სიდიდის პერიოდული ცვლილების ფენომენი, რომლის დროსაც არგუმენტზე დამოკიდებულებას აქვს სინუსური ან კოსინუსური ფუნქციის ხასიათი. მაგალითად, რაოდენობა, რომელიც იცვლება დროში შემდეგნაირად, ჰარმონიულად მერყეობს:

სადაც x არის ცვალებადი სიდიდის მნიშვნელობა, t არის დრო, დარჩენილი პარამეტრები მუდმივია: A არის რხევების ამპლიტუდა, ω არის რხევების ციკლური სიხშირე, არის რხევების სრული ფაზა, არის რხევების საწყისი ფაზა. რხევები.

განზოგადებული ჰარმონიული რხევა დიფერენციალური ფორმით

(ამ დიფერენციალური განტოლების ნებისმიერი არატრივიალური ამოხსნა არის ჰარმონიული რხევა ციკლური სიხშირით)

ვიბრაციის სახეები

    თავისუფალი ვიბრაციები წარმოიქმნება სისტემის შიდა ძალების გავლენის ქვეშ, მას შემდეგ, რაც სისტემა წონასწორობიდან გამოდის. იმისთვის, რომ თავისუფალი რხევები იყოს ჰარმონიული, აუცილებელია, რომ რხევითი სისტემა იყოს წრფივი (ასახულია მოძრაობის წრფივი განტოლებებით) და მასში არ იყოს ენერგიის გაფანტვა (ეს უკანასკნელი გამოიწვევდა აორთქლებას).

    იძულებითი რხევები ხორციელდება გარე პერიოდული ძალის გავლენით. იმისათვის, რომ ისინი ჰარმონიული იყოს, საკმარისია, რომ რხევითი სისტემა იყოს წრფივი (აღწერილია მოძრაობის წრფივი განტოლებებით), ხოლო თავად გარე ძალა იცვლება დროთა განმავლობაში, როგორც ჰარმონიული რხევა (ანუ, რომ ამ ძალის დროზე დამოკიდებულება სინუსოიდურია). .

ჰარმონიული ვიბრაციის განტოლება

განტოლება (1)

იძლევა S მერყევი მნიშვნელობის დამოკიდებულებას t დროზე; ეს არის თავისუფალი ჰარმონიული რხევების განტოლება აშკარა ფორმით. თუმცა, რხევების განტოლება ჩვეულებრივ გაგებულია, როგორც ამ განტოლების განსხვავებული ჩანაწერი, დიფერენციალური ფორმით. განსაზღვრულობისთვის ვიღებთ (1) განტოლებას სახით

განასხვავეთ ის ორჯერ დროის მიხედვით:

ჩანს, რომ შემდეგი კავშირი მოქმედებს:

რომელსაც ეწოდება თავისუფალი ჰარმონიული რხევების განტოლება (დიფერენციალური ფორმით). განტოლება (1) არის დიფერენციალური განტოლების ამონახსნი (2). ვინაიდან განტოლება (2) მეორე რიგის დიფერენციალური განტოლებაა, სრული ამოხსნის მისაღებად აუცილებელია ორი საწყისი პირობა (ანუ (1 განტოლებაში შემავალი A და  ) მუდმივების დასადგენად; მაგალითად, რხევითი სისტემის პოზიცია და სიჩქარე t = 0-ზე.

მათემატიკური ქანქარა არის ოსცილატორი, რომელიც წარმოადგენს მექანიკურ სისტემას, რომელიც შედგება მატერიალური წერტილისგან, რომელიც მდებარეობს უწონად გაუწელვებელ ძაფზე ან უწონო ღეროზე გრავიტაციული ძალების ერთგვაროვან ველში. l სიგრძის მათემატიკური გულსაკიდის მცირე ზომის ეგონოსცილაციების პერიოდი, რომელიც უმოძრაოდ არის შეჩერებული ერთგვაროვან გრავიტაციულ ველში თავისუფალი ვარდნის აჩქარებით g, უდრის

და არ არის დამოკიდებული ქანქარის ამპლიტუდაზე და მასაზე.

ფიზიკური ქანქარა არის ოსცილატორი, რომელიც არის ხისტი სხეული, რომელიც რხევა ნებისმიერი ძალის ველში იმ წერტილის გარშემო, რომელიც არ არის ამ სხეულის მასის ცენტრი, ან ფიქსირებული ღერძი, რომელიც პერპენდიკულარულია ძალების მიმართულებაზე და არ გადის ამ სხეულის მასის ცენტრი.

მექანიკაში სხეულების მთარგმნელობით და ბრუნვით მოძრაობებთან ერთად, რხევითი მოძრაობებიც მნიშვნელოვანი ინტერესია. მექანიკური ვიბრაციები ეწოდება სხეულების მოძრაობას, რომლებიც მეორდება ზუსტად (ან დაახლოებით) რეგულარული ინტერვალებით. რხევადი სხეულის მოძრაობის კანონი მოცემულია დროის გარკვეული პერიოდული ფუნქციით x = (). ამ ფუნქციის გრაფიკული გამოსახულება იძლევა ვიზუალურ წარმოდგენას რხევითი პროცესის მიმდინარეობის დროში.

მარტივი რხევადი სისტემების მაგალითებია დატვირთვა ზამბარაზე ან მათემატიკური გულსაკიდი (ნახ. 2.1.1).

მექანიკური რხევები, ისევე როგორც ნებისმიერი სხვა ფიზიკური ხასიათის რხევითი პროცესები, შეიძლება იყოს უფასოდა იძულებული. უფასო ვიბრაციები მზადდება გავლენის ქვეშ შინაგანი ძალებისისტემა წონასწორობიდან სისტემის გამოყვანის შემდეგ. სიმძიმის რხევები ზამბარზე ან ქანქარის რხევები თავისუფალი რხევებია. ვიბრაციები მოქმედების ქვეშ გარეპერიოდულად ცვალებად ძალებს უწოდებენ იძულებული .

რხევითი პროცესის უმარტივესი ტიპი მარტივია ჰარმონიული ვიბრაციები , რომლებიც აღწერილია განტოლებით

x = x m cos (ω + φ 0).

Აქ x- სხეულის გადაადგილება წონასწორული პოზიციიდან, x m - რხევის ამპლიტუდა, ანუ მაქსიმალური გადაადგილება წონასწორული პოზიციიდან, ω - ციკლური ან წრიული სიხშირე ყოყმანი, - დრო. მნიშვნელობა კოსინუსის ნიშნის ქვეშ φ = ω + φ 0 ეწოდება ფაზაჰარმონიული პროცესი. ზე = 0 φ = φ 0, ამიტომ ფ 0 ეწოდება საწყისი ეტაპი. მინიმალური დროის ინტერვალი, რომლის შემდეგაც სხეულის მოძრაობა მეორდება, ეწოდება რხევის პერიოდი . რხევის პერიოდის საპასუხო ფიზიკურ რაოდენობას ეწოდება რხევის სიხშირე:

რხევის სიხშირე გვიჩვენებს რამდენი ვიბრაცია ხდება 1 წამში. სიხშირის ერთეული - ჰერცი(ჰც). რხევის სიხშირე დაკავშირებულია ω ციკლურ სიხშირესთან და რხევის პერიოდთან კოეფიციენტები:

ნახ. 2.1.2 აჩვენებს სხეულის პოზიციებს რეგულარული ინტერვალებით ჰარმონიული ვიბრაციებით. ასეთი სურათის მიღება შესაძლებელია ექსპერიმენტულად, რხევადი სხეულის განათებით სინათლის ხანმოკლე პერიოდული ციმციმებით ( სტრობოსკოპული განათება). ისრები წარმოადგენს სხეულის სიჩქარის ვექტორებს დროის სხვადასხვა მომენტში.

ბრინჯი. 2.1.3 ასახავს ცვლილებებს, რომლებიც ხდება ჰარმონიული პროცესის გრაფიკზე, თუ იცვლება რხევების ამპლიტუდა xმ, ან პერიოდი (ან სიხშირე ), ან საწყისი ფაზა φ 0 .

როდესაც სხეული მოძრაობს სწორი ხაზის გასწვრივ (ღერძი ოქსი) სიჩქარის ვექტორი ყოველთვის მიმართულია ამ სწორი ხაზის გასწვრივ. სიჩქარე υ = υ xსხეულის მოძრაობა განისაზღვრება გამოხატულებით

მათემატიკაში შეფარდების ლიმიტის პოვნის პროცედურა Δ-ზე → 0 ეწოდება ფუნქციის წარმოებულის გამოთვლას x () დროის მიხედვით და აღინიშნება როგორც ან როგორც x"() ან ბოლოს როგორც . მოძრაობის ჰარმონიული კანონისთვის წარმოებულის გამოთვლა იწვევს შემდეგ შედეგს:

ტერმინის + π / 2 გამოჩენა კოსინუს არგუმენტში ნიშნავს ცვლილებას საწყის ფაზაში. სიჩქარის მაქსიმალური მოდულის მნიშვნელობები υ = ω xმ მიიღწევა დროის იმ მომენტებში, როდესაც სხეული გადის წონასწორობის პოზიციებს ( x= 0). აჩქარება განისაზღვრება ანალოგიურად = xსხეულები ჰარმონიული ვიბრაციებით:

აქედან გამომდინარე აჩქარება უდრის υ ფუნქციის წარმოებულს ( ) დროის მიხედვით , ან ფუნქციის მეორე წარმოებული x (). გამოთვლები იძლევა:

ამ გამოთქმაში მინუს ნიშანი ნიშნავს აჩქარებას () ყოველთვის აქვს ოფსეტის საპირისპირო ნიშანი x () და, შესაბამისად, ნიუტონის მეორე კანონის მიხედვით, ძალა, რომელიც სხეულს აიძულებს შეასრულოს ჰარმონიული რხევები, ყოველთვის მიმართულია წონასწორობის პოზიციისკენ ( x = 0).

დროის ცვლილებები სინუსოიდური კანონის მიხედვით:

სადაც X- მერყევი რაოდენობის მნიშვნელობა დროის მომენტში , მაგრამ- დიაპაზონი , ω - წრიული სიხშირე, φ არის რხევების საწყისი ეტაპი, φt + φ ) არის რხევების მთლიანი ფაზა. ამავე დროს, ღირებულებები მაგრამ, ω და φ - მუდმივი.

რხევადი მნიშვნელობის მქონე მექანიკური ვიბრაციისთვის Xარის, კერძოდ, გადაადგილება და სიჩქარე, ელექტრული რხევებისთვის - ძაბვისა და დენის სიძლიერე.

ჰარმონიული ვიბრაციები განსაკუთრებულ ადგილს იკავებს ყველა სახის ვიბრაციას შორის, რადგან ეს არის ვიბრაციის ერთადერთი სახეობა, რომლის ფორმა არ არის დამახინჯებული რომელიმე ერთგვაროვან გარემოში გავლისას, ანუ ჰარმონიული ვიბრაციის წყაროდან გავრცელებული ტალღები ასევე ჰარმონიული იქნება. ნებისმიერი არაჰარმონიული ვიბრაცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სხვადასხვა ჰარმონიული ვიბრაციის ჯამის (ინტეგრალის) სახით (ჰარმონიული ვიბრაციების სპექტრის სახით).

ენერგიის გარდაქმნები ჰარმონიული ვიბრაციების დროს.

რხევების პროცესში ხდება პოტენციური ენერგიის გადასვლა Wpკინეტიკურად ვ კდა პირიქით. წონასწორობის პოზიციიდან მაქსიმალური გადახრის მდგომარეობაში პოტენციური ენერგია მაქსიმალურია, კინეტიკური ენერგია ნული. წონასწორობის მდგომარეობას რომ ვუბრუნდებით, რხევადი სხეულის სიჩქარე იზრდება და მასთან ერთად იზრდება კინეტიკური ენერგიაც, წონასწორობის მდგომარეობაში მაქსიმუმს აღწევს. შემდეგ პოტენციური ენერგია ნულამდე ეცემა. კისრის შემდგომი მოძრაობა ხდება სიჩქარის შემცირებით, რომელიც ნულამდე ეცემა, როდესაც გადახრა მეორე მაქსიმუმს მიაღწევს. პოტენციური ენერგია აქ იზრდება მის საწყის (მაქსიმალურ) მნიშვნელობამდე (ხახუნის არარსებობის შემთხვევაში). ამრიგად, კინეტიკური და პოტენციური ენერგიების რხევები ხდება ორმაგი (თვით ქანქარის რხევებთან შედარებით) სიხშირით და ანტიფაზაშია (ანუ მათ შორის არის ფაზური ცვლა ტოლი. π ). მთლიანი ვიბრაციის ენერგია უცვლელი რჩება. დრეკადობის ძალის მოქმედებით რხევადი სხეულისთვის ის უდრის:

სადაც ვ მ- სხეულის მაქსიმალური სიჩქარე (წონასწორობის მდგომარეობაში), x მ = მაგრამ- დიაპაზონი.

გარემოს ხახუნისა და წინააღმდეგობის არსებობის გამო თავისუფალი რხევები მცირდება: მათი ენერგია და ამპლიტუდა დროთა განმავლობაში მცირდება. ამიტომ, პრაქტიკაში უფრო ხშირად გამოიყენება არა თავისუფალი, არამედ იძულებითი რხევები.