Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
УМК по теормеху-2008.doc
Скачиваний:
57
Добавлен:
14.11.2019
Размер:
10.67 Mб
Скачать

3.2. Прямолинейные колебания материальной точки

3.2.1. Свободные гармонические колебания материальной точки

Колебания представляют собой распространенный вид движения, который обладает свойством повторяемости, периодичности. Изучение колебаний имеет большое значение для многих отраслей современной и будущей техники. Разработка методов исследования колебательных процессов является предметом теории колебаний.

Задачу о прямолинейном колебательном движении материальной точки, являющуюся частным случаем обратной задачи динамики точки, можно рассматривать как введение в теорию колебаний.

Р ассмотрим прямолинейное движение материальной точки (рис. 4) под действием единственной силы , направленной в любом положении точки к неподвижному центру и пропорциональной расстоянию точки до этого центра. Проекция этой силы на ось равна:

, (15)

где - постоянная положительная величина.

Центр , в котором , является положением равновесия точки, причем сила стремится вернуть точку в это положение. Поэтому сила называется восстанавливающей. Примером такой силы является сила упругости пружины, в этом случае величина называется коэффициентом жесткости пружины.

Движение точки будем рассматривать происходящим вдоль координатной оси . Если отклонить точку от положения равновесия и отпустить с любой начальной скоростью , направленной вдоль оси (причем скорость может равняться и нулю), то точка будет совершать свободные (или собственные) колебания около положения равновесия.

Составим дифференциальное уравнение движения точки в проекции на ось :

или (16)

Разделим все члены уравнения (16) на массу точки и введя обозначение

, (17)

приведем его к виду:

. (18)

В результате получили дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний, часто называемое уравнением гармонического осциллятора.

Из теории линейных дифференциальных уравнений известно, что общее решение этого уравнения имеет вид:

, (19)

где и - произвольные постоянные интегрирования, а величина

(20)

называется угловой частотой свободных гармонических колебаний, или просто собственной частотой.

Значения постоянных и находятся изначальных условий движения.

Пусть при .

Дифференцируя по времени (19), получим

. (21)

Подставляя начальные условия в уравнения (19) и (21), будем иметь:

.

Тогда закон движения точки можно записать в форме

. (22)

Общему решению (19) с помощью простых преобразований можно придать и другую форму

, (23)

где и являются постоянными интегрирования и также находятся из начальных условий:

; . (24)

И з решений (22) или (23) следует, что под действием линейной восстанавливающей силы точка совершает свободные гармонические колебания около положения равновесия (рис. 5). Они реализуются лишь за счет начального возмущения, когда значения и отличны от нуля.

Амплитуда свободных колебаний определяет наибольшее отклонение точки от положения равновесия. Величина называется начальной фазой колебаний. Время, в течение которого совершается одно полное колебание, называется периодом свободных колебаний .

Поскольку период синуса и косинуса равен , то фаза колебаний по истечении времени возрастает на , то есть

,

откуда имеем:

. (25)

Из формул (20) и (25) следует, что собственная частота и период свободных колебаний не зависят от начальных условий движения, а определяются только массой точки и коэффициентом жесткости . Это свойство свободных колебаний называется изохронизмом.

Размерность угловой (круговой) частоты имеет размерность угловой скорости:

,

в отличие от частоты , измеряемой в герцах

.

Величины и связаны следующей зависимостью:

. (26)

Из зависимостей (24) следует, что амплитуда и начальная фаза зависят от начальных условий.