19016

Малые колебания системы со многими степенями свободы. Собственные частоты и нормальные координаты

Лекция

Физика

Лекция 14. Малые колебания системы со многими степенями свободы. Собственные частоты и нормальные координаты Рассмотрим случай малых колебаний системы частиц имеющей степеней свободы. Самый общий вид функции Лагранжа такой системы таков: 1 2 Устойч

Русский

2013-07-11

459.5 KB

41 чел.

Лекция 14. Малые колебания системы со многими степенями свободы. Собственные частоты и нормальные координаты

Рассмотрим случай малых колебаний системы частиц, имеющей   степеней свободы. Самый общий вид функции Лагранжа такой системы таков:

 (1)

       (2)

Устойчивому положению равновесия соответствует такое состояние системы, в котором её потенциальная энергия  имеет минимум. Малые отклонения от положения равновесия приводят к возникновению сил, которые стремятся вернуть систему обратно в состояние равновесия. Пусть  имеет минимум при . При малых отклонениях от положения равновесия потенциальную энергию  можно разложить в ряд Тейлора по величинам разности

,           (3)

которые представляют собой малые отклонения от положения равновесия системы. Ограничимся в этом разложении членами второго порядка малости:

  (4)

Примем за начало отсчета потенциальной  энергии её значение в минимуме, т.е. будем считать, что  . В точке минимума

      (5)

Обозначим

,          (6)

Из (6) следует, что коэффициенты  симметричны относительно перестановки индексов:

      (7)

С учетом всего сказанного, выражение для потенциальной энергии (4) для потенциальной энергии вблизи положения равновесия  принимает простой вид:

   (8)

Теперь упростим выражение для кинетической энергии в функции Лагранжа (15.2). Поскольку величины  уже являются величинами второго порядка малости, то в силу малости отклонения от положения равновесия, в рамках рассматриваемой точности можно считать, что

   (9)

Постоянные коэффициенты , так же как и величины  симметрии величины относительно перестановки индексов: . С учетом всего сказанного функция Лагранжа (1) будет выглядеть так:

   (10)

Теперь запишем систему  уравнений Лагранжа для функции Лагранжа (10):

;           (11)

Вычисляя производные  и :

      (12)

      (13)

и подставляя их в уравнения Лагранжа, получаем:

,        (14)

Здесь мы переобозначили индексы суммирования , чтобы уравнения движения имели более привычный вид. Или в развернутом виде:

   (15)

Система дифференциальных уравнений (15) и есть уравнения движения для малых колебаний системы с  степенями свободы для величин , ,……..

Ищем решение системы в комплексном виде:

     (16)

Здесь  некоторые, пока неизвестные комплексные постоянные: . Подставляя (16) в систему уравнений (15), получаем после сокращения на общий множитель  систему линейных однородных алгебраических уравнений, которым должны удовлетворять постоянные :

;  ,        (17)

Для того, чтобы эта система однородных уравнений имела отличные от нуля решения, необходимо, чтобы её определитель обращался в ноль:

,               (18)

( - номер строки;  - номер столбца).

Уравнение (18) называется характеристическим уравнением. Оно представляет собой алгебраическое уравнение порядка  относительно величин . В общем случае оно имеет  различных и положительных корней: , где . Определенные из уравнения (18) величины  называются собственными частотами системы.

Согласно уравнению (18), собственные частоты колебаний полностью определяется только свойствами механической системы (коэффициентами  и ), и не зависят от начальных условий (и соответственно от амплитуд колебаний).

После того, когда все собственные частоты  определены, можно частично определить значения коэффициентов . Если все частоты различны, то значения величин  пропорциональны минорам определителя (15.21), в котором нужно заменить  на величину . Каждому значению координаты  будет соответствовать свой минор :

     (19)

( - номер строки;  - номер столбца). Тогда частное решение будет иметь вид:

,        .                        (20)

Здесь  - произвольные комплексные постоянные.

Общее решение системы уравнений (15) есть суперпозиция частных решений (20). Переходя как обычно к вещественной части общее решение можно записать в виде (миноры  величины действительные):

,       (21)

Здесь обозначено

     (22)

Общее решение (21) содержит  неизвестных постоянных  и . Эти постоянные определяются из начальных условий:

;   ;    ;      (23)

Из формулы (23) видно, что изменение каждой из координат  со временем представляет собой наложение  простых гармонических колебаний , ,……. с произвольными амплитудами и фазами (которые определяются из начальных условий), но имеющих вполне определенные частоты , ,……., которые от начальных условий не зависят.

Как уже отмечалось ранее, из формулы (21) следует, что изменение каждой из координат  со временем представляет собой наложение  простых гармонических колебаний  с произвольными амплитудами и фазами, но имеющими вполне определенные частоты . Но это означает, что всегда от обобщенных координат  можно перейти к новым обобщенным координатам, чтобы каждая из них соответствовала только одной собственной частоте . Ясно, что новыми обобщенными координатами и будут величины , ,…….. Это непосредственно следует из самого вида общего решения (21). Действительно, рассматривая  соотношений (21) как систему  уравнений относительно неизвестных , можно выразить все старые обобщенные координаты  через величины ,…….:

     (24)

Но это как раз и означает, что величины  можно рассматривать как новые обобщенные координаты. Эти координаты называются нормальными координатами (или главными), а совершаемые ими простые гармонические колебания – нормальными колебаниями системы, которым соответствуют нормальные частоты . Поскольку каждая нормальная координата меняется по гармоническому закону , то каждая из величин  удовлетворяет обычному уравнению для одномерных гармонических колебаний

,            (25)

Сказанное выше означает, что в нормальных координатах система уравнений (15) распадается на  независимых друг от друга уравнений, с независимыми начальными условиями. Другими словами, нормальные координаты полностью независимы друг от друга. Последнее означает, что функция Лагранжа (15.13), выраженная через нормальные координаты , может быть представлена как сумма функций Лагранжа для каждой нормальной координаты

 (26)

Здесь  - положительные постоянные.

Сказанное выше фактически означает, что и потенциальная и кинетическая энергия

;      ;   ,

могут быть одновременно приведены к диагональному виду.

Обычно нормальные координаты принято выбирать таким образом, чтобы коэффициенты  в функции Лагранжа (26) отсутствовали. Для этого достаточно определить новые нормальные координаты  соотношением:

     (27)

При таком выборе нормальных координат функция Лагранжа будет выглядеть так

     (28)

Проиллюстрируем введение нормальных координат для рассмотренной выше задачи с функцией Лагранжа:

.

Решение соответствующих уравнений Лагранжа имеет вид

;     ,

где собственные частоты определяются формулой

      и       

Из формул для  и  видно, что всегда можно записать

      и         (29)

Отсюда находим нормальные координаты

     и           (30)

Запишем функцию Лагранжа в новых обобщенных координатах. Кинетическая энергия

  (31)

Потенциальная энергия

.

или

 (32)

Видим, что кинетическая и потенциальная энергии системы одновременно привились к диагональному виду. Функция Лагранжа в новых обобщенных координатах теперь будет выглядеть так

   (33)

Система уравнений Лагранжа распадается на два независимых уравнения

;           (34)

;           (35)

Уравнение (34) описывает простые гармонические колебания с частотой , а уравнение (35) с частотой .

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56590. Як зробити навчання української мови в початковій школі цікавим для дитини 64 KB
  Такі або аналогічні запитання ставлять періодично перед собою вчителі початкових класів. Моє глибоке переконання, що саме використання віршованих правил і казок на уроках української мови, дає можливість учневі не тільки легко запам’ятати визначення, але і добре засвоїти його.
56592. Естетичний вплив мови на людину 372 KB
  Для того щоб забезпечити привабливість змісту навчання мови, належний виховний і розвивальний потенціал, намагаюся, щоб у свідомості учнів утверджувалися високо вартісні якості української мови, зокрема її естетична цінність
56593. Українська мова. Методичні вказівки 451 KB
  Мета самостійної роботи студентів двоєдина: формування самостійності як риси особистості і засвоєння знань, умінь, навиків. На молодших курсах самостійна робота з української мови ставить за мету розширення і закріплення знань і умінь, що здобуваються студентом на традиційних формах занять
56594. Використання елементів інтерактивних технологій на уроках української мови 245 KB
  Мета. Активізувати розумову діяльність учнів спрямовану на узагальнення знань навичок набутих у процесі вивчення теми Іменник як частина мови; удосконалювати орфографічні навички; розвивати мислення і здібності школярівпідвищувати культуру мовлення...
56595. ПОНЯТИЕ КАЧЕСТВА СОЦИАЛЬНО-КУЛЬТУРНЫХ УСЛУГ В ИСТОРИИ ЭКОНОМИЧЕСКИХ УЧЕНИЙ 242.5 KB
  Совокупность предприятий, учреждений, организаций, осуществляющих производство, перераспределение, сохранение и организацию потребления товаров и услуг социально-культурного назначения...