32752

Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник. Его решения. Вектор-амплитуда

Доклад

Физика

Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник. Это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника. Оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда когда выполнены следующие предположения: 1силы трения действующие на тело пренебрежимо малы и поэтому их можно не учитывать; 2 деформации пружины в процессе колебаний тела невелики так что можно их считать упругими и в соответствии с этим пользоваться законом Гука. Эта формула показывает что частота свободных колебаний не зависит от начальных...

Русский

2013-09-05

51 KB

35 чел.

27.Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник.  Его решения. Вектор-амплитуда.

Пружинный маятник.

 Колебательная система в этом случае представляет собой совокупность некоторого тела и прикрепленной к нему пружины. Пружина может располагаться либо вертикально (вертикальный пружинный маятник), либо горизонтально (горизонтальный пружинный маятник).
,где ах – ускорение, т - масса, х - смещение пружины, k – жесткость пружины.

Это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника.

Оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда, когда выполнены следующие предположения:

1)силы трения, действующие на тело, пренебрежимо малы и поэтому их можно не учитывать;

2) деформации пружины в процессе колебаний тела невелики, так что можно их считать упругими и в соответствии с этим пользоваться законом Гука.

Свободные колебания пружинного маятника имеют следующие причины.

1. Действие на тело силы упругости, пропорциональной смещению тела х от положения равновесия и направленной всегда к этому положению.

2. Инертность колеблющегося тела, благодаря которой оно не останавливается в положении равновесия (когда сила упругости обращается в нуль), а продолжает двигаться в прежнем направлении.

            Выражение для циклической частоты имеет вид:

,

где  w - циклическая частота,  k - жесткость пружины,  т - масса.

Эта  формула показывает, что частота свободных колебаний не зависит от начальных условий и полностью определяется собственными характеристиками самой колебательной системы — в данном случае жесткостью k и массой т.

Это выражение определяет период свободных колебаний пружинного маятника.

Пускай имеется система, состоящая из пружины (подчиняющейся закону Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на другом находится тело массой m. Колебания совершаются в среде, где сила сопротивления пропорциональна скорости с коэффициентом c (см. вязкое трение).

Тогда второй закон Ньютона для рассматриваемой системы запишется так:

где Fc — сила сопротивления, Fy — сила упругости

Fc = − cv, Fy = − kx, то есть

ma + cv + kx = 0

или в дифференциальной форме

где k — коэффициент упругости в законе Гука, a — ускорение горизонтального движения грузика.

Для упрощения вводятся следующие обозначения:

Величину ω называют собственной частотой системы, ζ — коэффициентом затухания.

Тогда дифференциальное уравнение принимает вид

Сделав замену x = eλt, получают характеристическое уравнение

Корни, которого вычисляются по следующей формуле

Зависимость графиков колебаний от значения ζ.

В зависисимости от величины коэффицинта затухания решение разделяется на три возможных варианта.

Апериодичность 

Если , то имеется два действительных корня, и решение дифференциального уравнения принимает вид:

В этом случае колебания с самого начала экспоненциально затухают.

Граница периодичности 

Если , два действительных корня совпадают , и решением уравнения является:

В данном случае может иметь место временный рост, но потом — экспоненциальное затухание.

Слабое затухание 

Если , то решением характеристического уравнения являются два комплексно сопряжённых корня

Тогда решением исходного дифференциального уравнения является

Где  — собственная частота затухающих колебаний.

Константы c1 и c2 в каждом из случаев определяются из начальных условий:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33493. Незакінчений злочин 32 KB
  Незакінченим злочином є готування до злочину та замах на злочин ч. У літературі незакінчений злочин нерідко називають: попередньою злочинною діяльністю розпочатим незавершеним злочином невдалою діяльністю у вчиненні злочину. Незакінчений злочин готування до злочину і замах на злочин це не здійснена можливість завдання шкоди об'єкту посягання.
33494. Необхідна оборона 27.5 KB
  підстава необхідної оборони складається з двох елементів а саме: 1 суспільно небезпечного посягання і 2 необхідності е його негайному відверненні чи припиненні Ознаки необхідної оборони визначені в ст. 36 КК характеризують: 1 мету оборони; 2 спрямованість об'єкт заподіяння шкоди; 3 характер дій того хто захищається; 4 своєчасність і 5 співрозмірність оборони. Мета необхідної оборони. 36 КК метою необхідної оборони є захист охоронюваних законом прав та інтересів особи яка захищається або іншої особи а також суспільних...
33495. Обєкт злочину 44 KB
  Об‘єкт як елемент складу злочину – це цінності що охороняються кримінальним законом проти яких спрямоване злочинне діяння і яким воно може заподіяти або спричинити шкоду. Структура об‘єкта злочину та функціональне значення його компонентів: Охоронювані кримінальним законом цінності: 1.ПредметиНа що діє суб‘єкт злочину посягаючи на блага.
33496. Обєктивна сторона 30 KB
  Обєктивна сторона злочину — це зовнішня сторона (зовнішнє вираження) злочину, що характеризується суспільна небезпечним діянням (дією чи бездіяльністю), суспільна небезпечними наслідками, причинним
33497. Обмеження волі 25 KB
  Обмеження волі (ст. 61 КК) — це основний вид покарання, який полягає в триманні засудженого в кримінально-виконавчій установі відкритого типу — виправному центрі (статті 11, 16, 56 КВК) без ізоляції від суспільства
33498. Поняття неосудності 35.5 KB
  19 дається законодавче визначення поняття неосудності з якого випливає що неосудною визнається така особа яка під час вчинення суспільне небезпечного діяння передбаченого КК не могла усвідомлювати свої дії бездіяльність або керувати ними внаслідок хронічного психічного захворювання тимчасового розладу психічної діяльності недоумства або іншого хворобливого стану психіки. Медичний критерій окреслює всі можливі психічні захворювання що істотно впливають на свідомість і волю людини. Хоча і при цих захворюваннях можливі так звані...
33499. Структура кримінального закону 39.5 KB
  Тлумачення закону полягає у з'ясуванні і всебічному розкритті його змісту з метою його точного застосування. Тлумачення закону поділяється на види залежно від суб'єкта тлумачення прийомів засобів та обсягу тлумачення. Залежно від суб'єкта який роз'яснює закон розрізняють легальне або офіційне судове і наукове або доктринальне тлумачення. Легальним офіційним зветься тлумачення що здійснюється органом державної влади уповноваженим на те законом.
33500. Повторність злочинів 27 KB
  Повторність злочинів як випливає із цих статей КК припускає наявність таких ознак: а особою групою осіб вчинено два або більше самостійних одиничних злочинів. Види повторності злочинів. Два види повторності злочинів: 1 повторність злочинів не пов'язана з засудженням винного за раніше вчинений ним злочин; 2 повторність злочинів пов'язана з засудженням винного за раніше вчинений ним злочин.
33501. Позбавлення волі на певний строк 29 KB
  Позбавлення волі є основним покаранням і застосовується за вчинення злочинів що становлять значну тяжкість коли виходячи із характеру і ступеня їх суспільної небезпечності і з урахуванням особи винного необхідна його ізоляція від суспільства. Позбавлення волі пов'язане з істотними правообмеженнями для засудженого. На засудженого до позбавлення волі справляється певний вплив: він перебуває в умовах відповідного режиму залучається до праці а у разі необхідності до професійного і загальноосвітнього навчання з ним ведеться систематична...