Преобразования энергии при колебаниях

При механических колебаниях происходят периодические преобразования энергии системы из потенциальной в кинетическую и обратно. Рассмотрим такие преобразования на примере пружинного маятника.

При максимальном отклонении груза от равновесия его скорость υ = 0, следовательно, его кинетическая энергия W _к = 0, но пружина при этом запасла максимальную потенциальную (упругую) энергию W _{п max} = kХ ² / 2, где k – жёсткость пружины, Х – амплитуда колебаний груза.

При возвращении груза к положению равновесия он приобретает максимальную скорость υ₀ , значит его кинетическая энергия становится максимальной: W _{к max} = m υ₀² / 2, но зато упругая энергия пружины W _п = 0.

Далее груз, двигаясь по инерции, сжимает пружину, вновь увеличивая её потенциальную энергию и уменьшая свою кинетическую, так как его скорость в процессе сжатия уменьшается.

Покажем, что в любой момент времени полная энергия пружинного маятника W _полн(t) = W _п(t) + W _к(t) = const и равна первоначально сообщённой ему энергии W ₀ = kХ ² / 2.

Пусть шарику дали начальное отклонение Х и отпустили. Он будет двигаться по закону (9.6). В произвольный момент времени потенциальная энергия пружины

,

а кинетическая энергия шарика, с учётом (9.7),

.

Следовательно, полная энергия системы

W _полн(t) = W _п(t) + W _к(t) = .

Преобразования энергии колебаний математического и физического маятников аналогичны.

Затухающие колебания

Во всякой реальной механической колебательной системе имеются силы трения, приводящие к потерям энергии при и колебаниях и уменьшающие их амплитуду. Например, при качаниях груза на пружине или на нити он испытывает трение о воздух. С достаточной точностью силу такого трения можно считать пропорциональной скорости груза (закон Стокса):

F _тр = − r υ,

где r – коэффициент пропорциональности, называемый сопротивлением среды. Знак «−» означает, что F _тр ↑↓ υ. Если колебания происходят вдоль оси х, то

F _{тр. х} = − r υ _х = −r .

Рассмотрим процесс свободных затухающих колебаний на примере груза на пружине (разд. 9.3). При наличии трения, второй закон Ньютона для такого груза будет иметь вид:

m = ∑ F_x = F _{тр. х} + F _{упр. х} = − r − kx,

или:

m + r + kx = 0,

или:

.

Последнее уравнение удобно записывать в каноническом виде:

,                                   (9.10)

где величина  называется коэффициентом затухания, а величина

 − собственной частотой колебательной системы. Собственная частота ω₀ равна частоте свободных колебаний без трения, но немного отличается от частоты ω свободных колебаний с трением.

Вид решения уравнения (9.10), как и в разд. 9.3, зависит от способа возбуждения колебаний. Если колебания начинаются при начальном отклонении груза от равновесия на расстояние Х ₀ и отпускании его, а сопротивление среды не слишком велико: β < ω₀, то решение уравнения (9.10) будет таким:

x (t) = X ₀ е^{−β t} cos ω t,                                     (9.11)

где

ω =                                               (9.12)

− угловая частота затухающих колебаний. Видно, что частота колебаний с трением меньше частоты ω₀ соответствующих колебаний без трения.

Функция (9.11) описывает процесс затухающих колебаний. Её график показан на рис. 9.8.

Для описания затухающих колебаний вводятся следующие понятия и параметры:

1. Период. Период колебаний 

.

2. Амплитуда. Экспоненциально убывающий множитель

,     (9.13)

стоящий в (9.11) перед периодической функцией, называется амплитудой затухающих колебаний (рис. 9.8).

3. Время релаксации. Время τ, за которое амплитуда убывает в е = 2,72 раза, называется временем релаксации, или постоянной времени затухающих колебаний. В соответствии с этим определением,

, отсюда .

4. Логарифмический декремент затухания. Натуральный логарифм отношения двух «соседних амплитуд», (т. е. амплитуд, взятых через период Т) называется логарифмическим декрементом затухания δ:

.

В соответствии с этим определением,

.            (9.14)

На основе этого определения несложно показать, что если измерить некоторую амплитуду Х_k и следующую за ней через N периодов Х_k+N, то логарифмический декремент затухания можно определить по формуле

                    (9.15)

(доказать это самостоятельно).

5. Слабое затухание. Затухание называется слабым, если не просто β < ω₀, а β<<ω₀. Символ «<<» означает, что меньше, по крайней мере, на порядок. Из соотношения (9.12) следует, что при слабом затухании ω ≈ ω₀, т. е. частота свободных колебаний ω практически равна собственной ω₀ = . Кроме того, как следует из (9.14), при слабом затухании .

6. Добротность. Важной характеристикой колебательного контура является его добротность Q. Добротность можно определить несколькими эквивалентными способами. Наиболее простое определение такое:

Q = ,

т. е. это величина, обратная логарифмическому декременту затухания с множителем π. Добротность является полезной характеристикой контура лишь при слабом затухании; в этом случае

.

Измерив убывание амплитуды за несколько десятков периодов колебаний даже простого шарика, подвешенного на тонкой нити и качающегося в воздухе, по формуле (9.15) легко подсчитать, что для него величина δ составляет порядка 0,01, следовательно, добротность Q такого маятника составляетпорядка нескольких сотен.

7. Критическое сопротивление среды. Если сопротивление среды достаточно велико, т. е. она «слишком вязкая», то колебаний груза вообще не будет. Например, если груз находится в вязкой жидкости, то при начальном отклонении он затем просто плавно вернётся к равновесию и остановится. Можно показать, что такой процесс плавного возвращения к равновесию без колебаний будет при условии: β ≥ ω₀, т. е., в случае пружинного маятника, когда сопротивление среды r ≥ 2 . Величина

r = 2 = r _кр,

при которой колебательный процесс вырождается в апериодический, называется критическим сопротивлением среды. Можно показать, что в критическом режиме колебательная функция (9.11) вырождается в апериодическую:

.

График этой функции показан на рис. 9.9.

При затухающих колебаниях энергия, периодически превращаясь их потенциальной в кинетическую и обратно, при этом «потихоньку» теряется, рассеиваясь в тепло в основном через трение груза о среду. В качестве полной энергии, имеющейся в колебательной системе в данный момент времени, удобно принять максимум потенциальной энергии, когда кинетическая равна нулю: W _полн (t) = kX ²(t) / 2.Подставляя в это выражение формулу (9.13), получаем закон убывания энергии системы при затухающих колебаниях:

W _полн (t) = W ₀ e^{−2β t} ,

где W ₀  − первоначально сообщённая системе энергия.