- •1. 1. Определение положения точки в пространстве.
- •1.2.Вектор перемещения. Для определения перемещения точки в пространстве вводят вектор перемещения.
- •2.1 Вектор скорости.
- •2.2 Вектор ускорения.
- •3.1 Кинематика твердого тела.
- •3.2. Число степеней свободы .
- •4 .Вращательное движение тел .
- •5. Движение отдельных точек вращающегося твердого тела.
- •6.Плоское движение твердого тела.
- •7.1. Сила. Определения:
- •7.2. Сложение сил и разложение силы на составляющие.
- •7.3. Проекции силы на плоскость и ось.
- •8.1. Статическое и динамическое проявление сил.
- •8.3. Принцип независимости действия сил.
- •9.1 Момент силы относительно произвольного центра.
- •9.2. Момент силы относительно произвольной оси.
- •9.3. Момент силы оТносительно координатной оси.
- •10.Основной закон динамики. Уравнение моментов для тела движущего по окружности
- •Уравнение моментов относительно произвольного центра.
- •11.Движение тел в поле центральных сил.
- •Считая массу планеты постоянной, можно далее записать:
- •12. Основной закон динамики системы материальных точек.
- •13.Уравнения моментов для системы материальных точек относительно произвольного центра, произвольной оси.
- •14. Основной закон динамики тела переменной массы (уравнение Мещерского) для тела с убывающей массой.
- •16.1 Относительность механического движения.
- •16.2. Галилеевы преобразования координат и закон сложения скоростей.
- •16.3. Принцип относительности Галилея, его физический смысл.
- •17.1 Постулаты Эйнштейна.
- •17.2. "Радиолокационный" метод (метод коэффициента "k ").
- •19. 1Сравнение поперечных размеров тел.
- •19.2 Эффект "сокращения" длин.
- •20.1 Преобразования Лоренца.
- •20.2. Интервал. Инвариантность интервала.
- •21.1 Релятивистская масса, релятивистский импульс.
- •21.2Релятивистское уравнение движения.
- •22.1. Силы инерции.
- •22.2. Силы инерции во вращающихся системах отсчета.
- •22.3. Силы инерции Кориолиса.
- •22.4. Зависимость веса тел от географической широты местности.
- •23. Силы трения. Сухое трение. Силы трения скольжения.
- •23.2. Силы трения качения.
- •24. 1Вязкое трение
- •24.2 Движение тел в сопротивляющейся среде.
- •25.1 Упругие силы.
- •25.2Продольное сжатие и растяжение. Закон Гука.
- •26.1Деформация сдвига
- •26.2Деформация кручения.
- •27. Закон всемирного тяготения.
- •28.1 Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия, гравитационный потенциал.
- •28.2Связь напряжённости и потенциала поля.
- •29.1 Работа и энергия
- •29.2Работа силы тяжести.
- •29.3Работа упругих сил.
- •30 .1 Работа и кинетическая энергия.
- •30.2Работа центральных сил.
- •30.3Потенциальная энергия.
- •30.3Нормировка потенциальной энергии, закон сохранения энергии.
- •31.1Момент инерции твёрдого тела.
- •31.2Теорема Штейнера.
- •32. Кинетическая энергия твёрдого тела для различных типов движения.
- •1.Поступательное движение
- •2.Вращательное движение
- •3.Плоское движение тела
- •33.1 Гироскопы.
- •33.2 Прецессия волчка.
- •34.1Давление покоящейся жидкости.
- •36. Уравнение поверхности уровня
- •37. Закон паскаля
- •38. Сообщающиеся сосуды заполнены однородной жидкостью
- •39. Закон архимеда Тело погружено в жидкость (рис. 73).
- •На его поверхность со стороны жидкости действуют силы давления, выделим в теле объем малого сечения, ось которого вертикальна. На верхнюю и нижнюю грани этого объема действуют силы давления:
- •40. Механика движущихся жидкостей.
- •40.1. Введение
- •Определения
- •40.2. Расход жидкости
- •40.3. Уравнение неразрывности струи жидкости
- •41 .1Уравнение бернулли
- •41.2.Формула торичелли
- •42.1Ламинарнре и турбулентное течение жидкости. Число рейнольдса.
- •42.2. Формула пуазейля
- •43.1Колебательное движение
- •44. Собственные колебания
- •45. Затухающие колебания
- •46. Вынужденные колебания
- •47. 1.Математический маятник
- •47.2 Пружинные маятники
- •48. Геометрическое представление колебаний.
- •49. Сложение одинаково направленных колебаний.
- •51. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
- •52. Гармонический анализ периодических движений.
- •53. Гармонический анализ периодических движений.
- •55.1. Упругие волны.
- •55.2. Распространение упругих возмущений в твёрдом теле.
- •55.3. Отражение упругих импульсов от границы раздела сред.
- •56.1.Уравнение плоской волны, движущейся в определённом координатном направлении.
- •56.2. Уравнение плоской волны, движущейся в произвольном направлении в пространстве.
- •57.1. Продольные волны в твёрдом теле. Волновое уравнение.
- •57.2. Упругие волны в газах. Волновое уравнение.
- •58.1. Интерференция воли.
- •58.2.Стоячие волны.
- •54. Колебания треугольной формы
47.2 Пружинные маятники
Пружинные маятники представляют собой тела, укреплённые на упругих пружинах. При этом упругостью самого тела и массой пружины пренебрегают.
8
В зависимости от способа крепления маятника и предоставляемой ему свободы перемещения его перемещение может происходить только под действием силы упругости (горизонтально расположенный маятник) или под действием сил упругости и силы тяжести тела маятника при вертикальном расположении маятника. На рис.87 представлены оба маятника.
Рассмотрим сначала горизонтальный пружинный маятник. Если телу маятника сообщить отклонение от положения равновесия x, то на него будет действовать сила упругости пружины, пропорциональная при малых отклонениях первой степени смещения и противоположно ему направленная. Под действием этой силы и будет происходить дальнейшее движение тела маятника. По второму закону динамики дифференциальное уравнение движения принимает вид:
Т.е. является уравнением гармонических колебаний, решением которого является гармоническая функция:
Циклическая частота равна , а период, соответственно,
Таким образом, период колебаний (циклическая частота) определяется параметрами маятника, что же касается амплитуды коле и начальной фазы, то они, как было сказано ранее, определяются из начальных условий.
При вертикальном расположении маятника на характер движения тела будет оказывать влияние не только сила упругости пружины, но я сила тяжести тела. При отклонении тела от положения равновесия на x, на него будут действовать сила упругости и сила тяжести. При малых отклонениях сила упругости пропорциональна первой степени смещения и противоположно ему направлена . По второму закону динамики запишем дифференциальное уравнение движения:
или
В отличии от предыдущего случая правая часть уравнения не равна нулю, уравнение является неоднородным. Решением такого уравнения будем искать в виде . После подстановки искомого решения в уравнение движения получаем тождество:
Как видно тождество выполняется при условии , что .
Легко убедиться, что дополнительный постоянный член в решении означает смещение тела маятника в положении равновесия под действием силы тяжести.
48. Геометрическое представление колебаний.
Для более наглядного представления различного рода движений, в том числе и гармонических, применяются графические способы их описания. Среди этих способов мы рассмотрим только самые распространённые.
а ) Временные диаграммы
Рис.97
Рис.98
Рис.96
Наиболее широко применяемыми и известными являются временные (плоские) диаграммы, на которых в зависимости от времени представляются параметры движения, например, смещение, скорость и ускорение. Если материальная точка совершает движение по гармоническому закону , то скорость её в произвольный момент времени выражается соотношением , а ускорение, соответственно, . Временные диаграммы этих параметров отражены на рис.95-97. На рис.98 в произвольном масштабе одновременно представлены все три характеристики движения.
б) векторные диаграммы
Ч
Рис.99
асто употребляемыми являются также так называемые векторные диаграммы. Они широко применяются при изучении гармонических колебаний, при изучении сложения колебаний и т.д. Любое гармоническое колебание можно представить следующим образом. Пусть начало некоторого вектора совпадает с началом координат (рис. 99), а сам он вращается вокруг начала координат с угловой скоростью, численно равной циклической частоте колебаний. Как видно из рисунка, в любой момент времени проекции вектора на оси координат численно равны иМ асштаб можно выбрать таким, что длина вектора будет численно равна амплитуде колебаний. Если же начальное угловое отклонение выбрать численно равным начальной фазе колебаний, то, как легко убедиться, в любой момент времени проекции вектора на оси координат будут изменяться по гармоническому закону, т.е. гармоническое колебание можно представить проекцией вектора, равномерно вращающегося относительно начала координат, на любую из осей. Скорость колеблющегося тела при этом равна , а ускорение . Следовательно, в определённом масштабе для определения скорости и ускорения тела в любой момент времени можно находить проекции векторов, смещённых относительно первого вектора соответственно на и , длины которых равны амплитудным значениям скорости и ускорения. Рис.100
Весьма наглядным является сложение гармонических колебаний, представляемое с помощью векторных диаграмм. Предположим, что обе гармонические составляющие имеют одинаковую частоту изменения параметров (т.е. угловые скорости вращения обоих векторов одинаковы). Если начальные фазы составляющих различны, то векторы в пространстве не совпадают по направлению. Геометрическая сумма этих векторов определяет амплитуду результирующего колебания. Действительно, поскольку для гармонических колебаний справедлив принцип суперпозиции, то результирующее смещение, получаемое телом, должно равняться по этому принципу геометрической сумме смещений, получаемых телом за счёт участия в каждом из отдельных колебаний. Так как при одинаковой угловой скорости вращения слагаемых векторов их относительное расположение (рис.100) не будет изменяться с течением времени, то не будет изменяться, соответственно, и длина суммарного вектора (амплитуда результирующего колебания), который будет вращаться с той же угловой скоростью, что и слагаемые векторы. Таким образом, результирующее колебание будет происходить с той же циклической частотой, а его амплитуда численно равна геометрической сумме складываемых векторов.
Если же циклические частоты складываемых колебаний (угловые скорости вращения векторов) неодинаковы, то относительное расположение складываемых векторов с течением времени будет периодически изменяться, будет периодически изменяться и амплитуда результирующего колебания, принимая значения от нуля до величины, равной сумме амплитуд складываемых колебаний. Поскольку периодичность изменения амплитуды результирующего колебания (длины суммарного вектора) определяется относительной скоростью вращения векторов, то циклическая частота изменения амплитуды результирующего колебания должна определяться разностью циклических частот складываемых колебаний. Более подробно случай сложения одинаково направленных колебаний рассмотрим ниже.
в)Спектральное представление колебаний
В ряде случаев для характеристики колебаний, особенно негармонических, достаточно знать только такую интегральную характеристику, как энергию (или амплитуду), соответствующие заданной частоте. Это имеет место, например, при изучении колебаний систем с несколькими степенями свободы, периодических, но негармонических колебаний, импульсных процессов и т.д.
В таких случаях на графиках зависимости амплитуды или энергии, пропорциональной амплитуде колебаний, от частоты для соответствующих частот откладываются отрезки, в определенном масштабе равные амплитуде (энергии) колебаний. Спектральная характеристика гармонического колебания частоты 0 представлена на рис. 101.
г) Фазовое представление колебаний
При фазовом представлении колебаний состояние колеблющейся системы описывается в фазовой плоскости. Фазовой плоскостью называют плоскость, координаты точек которой определяют состояние колеблющейся системы с одной степенью свободы. По осям координат откладываются значения координат и скоростей механической системы. При гармонических колебаниях вместо скорости (или импульса) откладывается обычно отношение скорости тела к циклической частоте колебаний. Изменению состояния системы соответствует перемещение точки по фазовой плоскости. Отметим, что на фазовой плоскости можно представить не только колебательный процесс, но и любой Другой вид движения, например, прямолинейное движение, движение тела, брошенного под углом к горизонту и т.д.
Р ассмотрим фазовые представления некоторых частных случаев движения. На рис. 102 представлено равномерное прямолинейное движение. Действительно, при равномерном и прямолинейном движении на всей траектории (для любой координаты) скорость тела имеет постоянное значение. Этому случаю соответствует прямая, параллельная оси X на фазовой плоскости.
Рис.102 Рис.103
Если же скорость с течением времени изменяется, то фазовая траектория не будет представлять собой прямую линию. Так, если тело совершает равнозамедленное движение с начальной скоростью из начала координат, то закон изменения его скорости записывается в виде , а закон движения - в форме . Исключая из этих зависимостей время, получаем уравнение движения в фазовой плоскости . Этому уравнению соответствует парабола, представленная на рис.103.
При гармонических колебаниях закон движения тела можно записать в виде . Скорость его при этом для произвольного момента времени имеет вид . Исключая время, получим уравнение фазовой траектории
, которая представлена на рис.104.
Рис.104 Рис .105
Этими основными видами геометрического представления колебаний и будем пользоваться в дальнейшем.
Рассмотрим также равномерное движение точки по окружности. Радиус вращения равен ,, в исходный момент времени направление на точку составляло угол с осью X (рис.105).
В любой момент времени проекции точки на оси координат равны и . Соответствующие проекции скорости на оси координат равны и . Ускорение же в проекциях на оси координат равно и . Отметим, что такое определение закона движения точки в проекциях на оси координат аналогично уже отмеченному выше векторному представлению колебаний.
В самом деле, как видно из выражений проекций точки на оси координат, а также проекций векторов скорости её и ускорения, вдоль отдельных координатных направлений точка совершает гармонические колебания. При этом угловая скорость точки численно равна циклической (круговой) частоте колебаний (откуда ясно происхождение названия самой частоты).