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

39 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

9895. Градиентные методы 87.5 KB
  Градиентные методы Градиентные методы безусловной оптимизации используют только первые производные целевой функции и являются методами линейной аппроксимации на каждом шаге, т.е. целевая функция на каждом шаге заменяется касательной гиперплоскостью ...
9896. Примеры простейших задач вариационного исчисления 214.5 KB
  Примеры простейших задач вариационного исчисления Исторически первой задачей, известной в глубокой древности и отнесенной впоследствии к задачам вариационного исчисления, явилась так называемая задача Дидо. Легенда говорит, что Дидо - царица од...
9897. Вариация функционала 278.5 KB
  Вариация функционала Вариация одно из центральных понятий при изучении нелинейных функционалов, оно играет ту же роль, что понятие дифференциала при изучении нелинейных функций. Дифференциал нелинейной функции равен главной линейно...
9898. Вторая вариация и достаточные условия экстремума 178 KB
  Вторая вариация и достаточные условия экстремума Вспоминая о глубокой аналогии между дифференциальным и вариационным исчислениями, естественно ожидать, что при переходе к достаточным условиям экстремума функционалов будет введено понятие, иг...
9899. Классификация задач оптимизации 70 KB
  Классификация задач оптимизации оптимизируемая функция (целевая функция, целевой функционал, критерий качества и т.п.), численно выражает степень достижения целей функционирования оптимизиру...
9900. Динамическая оптимизация 97 KB
  Динамическая оптимизация Статическая задача распределения ограниченных ресурсов для достижения комплекса конкурирующих целей в некоторый определенный момент времени математически формализуется в виде математической задачи выбора из заданного до...
9901. Динамическое программирование 224 KB
  Динамическое программирование Динамическое программирование является еще одним из двух современных направлений в теории задач управления. Метод динамического управления может применяться непосредственно при решении общей задачи управления...
9902. Линейное программирование 383.5 KB
  Линейное программирование Линейное программирование (ЛП) - это наука о методах исследования и отыскания наибольших и наименьших значений линейной функции, на неизвестные которой наложены линейные ограничения 1930 г., А.Н. Толстой - составление оптим...
9903. Симплекс-метод решения задач ЛП 86.5 KB
  Симплекс-метод решения задач ЛП Симплекс-метод предложен Дж. Данцигом в 1947 г. непосредственно применяется к общей задаче ЛП в канонической форме: Z = CTX min, при ограничениях X0, AX = B, B > 0, Любое неотрицательное решение...