2014-02-02
1563
Колебаниями называются процессы, повторяющиеся через определенные промежутки времени (переменный электрический ток, работа сердца и легких).
В реальных системах, кроме возвращающей силы, действуют силы сопротивления среды, что приводит со временем к уменьшению амплитуды колебаний, такие колебания называются затухающими.
Дифференциальное уравнение затухающих колебаний.
m =-kx-r
или
+2β + =0, где 2β =r/m =k/m
– круговая частота собственных колебаний,
β – коэффициент затухания.
Решение уравнения имеет вид:
x=А0e-βtcos(t+φ0)
Амплитуда затухающих колебаний:
A=±A0e-Bt
Период затухающих колебаний зависит от коэффициента трения и определяется формулой:
T= =
При очень малом трении () период затухающего колебания близок к периоду незатухающего свободного колебания:
T=2π/
Быстрота убывания амплитуды колебаний определяется коэффициентом затухания: чем выше β, тем сильнее тормозящее действие среды и тем быстрее уменьшается амплитуда.
На практике, степень затухания характеризуется логарифмическим декрементом затухания, величина, равная натуральному логарифму отношения двух последовательных амплитуд колебаний, разделенных интервалом времени, равным периоду колебаний:
|
|
|
λ=ln =lne-βT
Коэффициент затухания и логарифмический декремент затухания связаны простой зависимостью:
λ=βT
T-период затухания колебаний
β-коэффициент затухания
2. Вынужденные колебания .
Вынужденными колебаниями наз. незатухающие колебания системы, которые вызываются действием внешней периодической силы.
Если сила не будет периодической, то не возникнет и периодических колебаний. Например, если сила постоянна, то возникает статическое отклонение системы.
Примеры: колебания гребных винтов, лопаток турбины, качелей при раскачивании, мостов и балок при ходьбе и т.д.
Сила, вызывающая вынужденные колебания, наз. вынуждающей (возмущающей) силой.
Если внешняя вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону, то в системе устанавливаются гармонические колебания с частотой внешней вынуждающей силы (процесс установления колебаний изображен на рисунке: вынужденные колебания накладываются на свободные затухающие колебания; после того, как свободные колебания прекращаются, остаются только вынужденные).
Резонанс.
Явление возрастания амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы w к собственной частоте колебательной системы w0, называется резонансом.
Соответственно данная частота наз. резонансной частотой.
При наличии трения резонансная частота несколько меньше собственной частоты колебательной системы. С энергетической точки зрения при резонансе создаются наилучшие условия для передачи энергии от внешнего источника к колебательной системе.
|
|
|
Резонанс применяется для измерения частоты (частотомеры) вибраций, в акустике. Резонанс необходимо учитывать при расчете балок, мостов, станков и т.д.
Автоколебания.
Колебательная система, совершающая незатухающие колебания за счет действия источника энергии, не обладающего колебательными свойствами (периодичностью), наз. автоколебательной.
Примеры: часы, орган, духовые инструменты, сердечно-сосудистая система, паровые машины и двигатели внутреннего сгорания и т.д.
Любая автоколебательная система состоит из 4 частей:
1. колебательная система;
2. источник энергии, компенсирующий потери энергии на преодоление сопротивления;
3. клапан – устройство, регулирующее поступление энергии в колебательную систему определенными порциями и в определенный промежуток времени;
4. обратная связь – устройство для обратного воздействия автоколебательной системы на клапан, управляющее работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
