19008

Общие свойства одномерного движения. Интегрирование уравнения одномерного движения. Период финитного движения в произвольном потенциале

Лекция

Физика

Лекция 6. Общие свойства одномерного движения. Интегрирование уравнения одномерного движения. Период финитного движения в произвольном потенциале Одномерным называется движение системы с одной степенью свободы: . в самом общем виде функция Лагранжа выглядит так:

Русский

2013-07-11

301 KB

42 чел.

Лекция 6. Общие свойства одномерного движения. Интегрирование уравнения одномерного движения. Период финитного движения в произвольном потенциале

 Одномерным называется движение системы с одной степенью свободы: . в самом общем виде функция Лагранжа выглядит так:

   (1)

Величина  - некоторая функция обобщенной координаты . Уравнение Лагранжа и начальные условия имеют вид:

   (2)

В общем виде, при произвольной потенциальной энергии , зависящей как от координаты , так и от времени , уравнения Лагранжа (2) аналитически не решаются. Ситуация радикально упрощается, когда потенциальная энергия не зависит явно от времени, т.е.

     (3)

Отличительной чертой стационарного одномерного движения является то обстоятельство, что решение уравнения (2) легко находится в общем виде при произвольной зависимости , по крайней мере в квадратурах.

Т.к. в этом случае , то  и для нахождения закона движения частицы проще всего воспользоваться законом сохранения энергии:

     (4)

Из уравнения (5.4) находим, что

;              .     

Это уравнение первого порядка с разделяющимися переменными:

    (5)

Его общее решение имеет вид:

   (6)

Решение уравнения (6) можно также  записать в виде:

    (7)

Если интеграл в формулах (7) удастся вычислить аналитически, то мы получим зависимость , т.е. закон движения в неявном виде. Если это уравнение удастся ещё и разрешить относительно обобщенной координаты , то мы получим закон движения частицы в явном виде:  и задача будет полностью завершена.

Роль двух произвольных постоянных в формуле (6) играют полная энергия  и произвольная константа . Если величина  есть обычная декартова координата , то величина - масса частицы. В этом случае все полученные выше формулы будут выглядеть так:

   (8)

Уравнение Лагранжа сводится ко второму закону Ньютона:

  (9)

Закон сохранения энергии теперь выглядит совсем привычным образом:

     (10)

Отсюда находим, что

,   т.е.    (11)

так, что

  (12)

Решение уравнения (11) можно также записать в виде:

    (13)

Здесь

    (14)

    (15)

Поскольку кинетическая энергия всегда положительная величина, то из закона сохранения энергии  следует, что движение частицы может происходить только в тех областях пространства, где

    (16)

Неравенство (16) определяют границы области движения частицы. корни уравнения

      (17)

определяют истинные точки остановки частицы. В этих точках  и, следовательно, .

Если область движения ограничена двумя точками остановки, то движение происходит между этими точками в ограниченной области пространства. такое движение называется финитным движением. Если же область движения ограничена с одной стороны одной точкой остановки (или вообще не ограничена), то такое движение называется инфинитным. При инфинитном движении частица уходит на бесконечность. Рассмотрим, например, зависимость , изображенную на рисунке. Проведя на этом рисунке горизонтальную прямую, соответствующую заданному значению полной энергии , можно сразу определить точки остановки  и области доступного движения.

На нашем рисунке область доступного финитного движения, это движение в «потенциальной яме» , между точками остановки  и . Область доступного инфинитного движения это область . достигнув точки , частица останавливается. в точке  на частицу действует сила , которая заставляет изменить направление движения частицы и частица тут же начинает двигаться вправо, в область .

Вычисление периода одномерных колебаний

Одномерное финитное движение всегда является колебательным. Частица совершает периодически повторяющиеся движения между двумя точками остановки  и . При этом время движения от  к  и обратно, от  к  одно и тоже и равно половине периода колебаний. Выберем за начало отсчета времени тот момент, когда частица находилась в крайней левой точке . Тогда

   (18)

Координаты точек остановки  и , определяемые из уравнения (17), зависят от энергии .

Рассмотрим простой пример. Вычислим с помощью формулы (18) период и собственную частоту  гармонических колебаний тела  на пружине жесткостью , если задана энергия системы .

Т.к. потенциальная энергия пружины , то формула (18) принимает вид:

/

Точки остановки   и  . Делая замену переменной интегрирования , приводим интеграл к виду

,

В результате имеем:.

Видим, что в поле , период колебаний не зависит от энергии системы. Не трудно сообразить, что амплитуда колебаний зависит от энергии и определяется по формуле: .

3

(x)

C

U(x)

x

U(x)

A

B

E

C

xA

xB

E

E

xC


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

641. Анализ использования трудовых ресурсов на предприятии 118 KB
  Анализ использования трудовых ресурсов ООО Каравай. Анализ использования трудовых ресурсов, направления анализа численности и состава рабочей силы. Мероприятия, направленные на улучшение использования трудовых ресурсов в ООО Каравай на 2012.
642. Виды отчетов и способы их составления программными средствами 124 KB
  В практике маркетинговых исследований существует три основных вида отчета: устный, письменный краткий и письменный подробный. Как правило, контракты предусматривают устный и один из видов письменных отчетов.
643. Тяговый расчет автомобиля ЗиЛ-133Г1 1017 KB
  Построение внешней скоростной характеристики двигателя Камаз-7401. Графики силы сопротивления качению колес автомобиля по дорожному покрытию. Определение силы сопротивления качению колес автомобиля по дорожному покрытию. Значения силы тяги на колесах и скорости автомобиля Зил-133Г1.
644. Теоретические основы налогового права 128 KB
  Дайте определение понятию налоговое право. Руководствуясь ст. 2 НК РФ, охарактеризуйте его предмет. Каким образом законодательство о налогах и сборах (ст. 45 НК РФ) определяет момент исполнения налогоплательщиком обязанности по уплате налогов и сборов. Каковы правовые последствия подачи налогоплательщиком жалобы.
645. Совместная работа основания и сооружения 155 KB
  Формы деформаций сооружений. Чувствительность конструкций к неравномерным осадкам. Меры по уменьшению чувствительности зданий к неравномерным осадкам. Комплексная взаимозависимость факторов для решения задачи по устройству фундаментов.
646. Вдосконалення системи автоматизації відділення випарної станції 92 KB
  Умови праці. Наявність шкідливих та небезпечних факторів на робочому місці. Санітарно-гігієнічні вимоги до виробничих приміщень та розміщення технологічного обладнання. Розрахунок звукопоглинаючої конструкції операторського пункту.
647. Использование языка AHDL при проектировании цифровых устройств 159.5 KB
  Описание комбинационного устройства на языке AHDL. Реализация комбинационного устройства в CPLD и FLEX (выбор микросхемы, полная компиляция, моделирование, анализ, быстродействия и временных задержек). Функциональная компиляция и моделирование устройств.
648. Разработка и исследование характеристик платформенной инерциальной навигационной системы полуаналитического типа, построенной с использованием лазерных гироскопов 1.25 MB
  Краткое изложение теоретических сведений cистем координат в которой работает представленная ИНС. Пересчет координат из геоцентрической в географическую систему координат. Разработка алгоритма платформенной инерциальной навигационной системы, работающей в геоцентрической системе координат.
649. Створення програмної оболонки інформаційної системи обліку в Microsoft Excel VBA 202 KB
  Розробити книгу у MS Excel 2000 і скласти програму на мові Excel VBA для обліку нарахування заробітної плати. Ввести текстові і числові дані, записати формули, встановити зв'язок між основною таблицею та довідниками та виконати форматування таблиць. Скласти програму на мові Excel VBA.