какие условия необходимы для возникновения свободных колебаний

Свободные колебания – примеры, виды

Колебательные процессы широко распространены в природе. Одним из видов таких процессов являются свободные колебания. Рассмотрим их особенности.

Колебания и их виды

Колебания – это изменение состояния системы вокруг некоторого положения равновесия. Для возникновения колебаний необходим первоначальный импульс. А дальнейшее поведение системы может быть различным. В одних случаях сразу после прекращения воздействия система приходит в равновесие. И тогда, чтобы в системе продолжали происходить колебания, необходимо постоянно совершать работу по изменению состояния системы.

В других случаях система, выведенная из равновесия, не сразу приходит в исходное состояние, а совершает много колебательных движений, несмотря на то, что внешнее воздействие давно закончилось.

Описанные два вида колебаний называются соответственно вынужденными и свободными.

Вынужденные колебания – это колебания, совершаемые под действием внешней силы (поршень в двигателе). Свободные колебания – это колебания, совершаемые под действием внутренних сил системы (маятник).

Рис. 1. Свободные и вынужденные колебания.

Условия возникновения свободных колебаний

Условия возникновения свободных колебаний можно проследить на примере пружинного маятника. Такой маятник представляет собой груз, подвешенный на пружине.

Рис. 2. Пружинный маятник.

В положении равновесия пружина немного растянута, компенсируя вес груза (либо не имеет растяжения, если маятник горизонтален). При выведении из положения равновесия, в пружине возникает сила, тем большая, чем сильнее отклонение, и груз начнет движение.

Однако, в момент достижения точки равновесия, груз будет иметь некоторую скорость и кинетическую энергию. Остановиться здесь он не сможет. Он продолжит движение дальше, замедляясь и создавая в пружине новое напряжение, направленное в сторону, противоположную отклонению. В момент, когда он остановится – пружина вновь будет сжата, и снова начнет толкать груз к положению равновесия.

Таким образом, мы видим три условия, необходимых для возникновения свободных колебаний:

Есть еще одно, менее очевидное условие. Если пружинный маятник окажется в сильновязкой жидкости, то даже если вывести его из положения равновесия, груз медленно вернется в равновесие, и колебания не возникнут. Причина в том, что энергия сжатой пружины будет истрачена не на разгон груза, а на преодоление сопротивления вязкой жидкости.

Таким образом, последнее условие возникновения свободных колебаний – потери в системе должны быть достаточно малы, чтобы энергия, возвращающая систему в положение равновесия, терялась медленно.

Примерами свободных колебаний является не только пружинный маятник, но и обычный маятник (качели), часовой балансир, натянутая звенящая струна, прыгающий мяч и многое другое.

в зависимости от ситуации свободные колебания в системе могут быть желательны, а могут быть вредны. Если свободные колебания желательны (часовой маятник) – то принимают все меры для уменьшения потерь. Если свободные колебания вредны (детали машин и механизмов) – то вводят элементы, увеличивающие потери – демпферы и амортизаторы.

Рис. 3. Амортизаторы.

Что мы узнали?

Свободные колебания – это колебания, совершаемые под действием внутренних сил системы. Для их возникновения необходимо, чтобы в системе было одно положение равновесия, из которого система была бы выведена, чтобы возникала сила, возвращающая систему в равновесие, и чтобы потери в системе были достаточно малы.

Источник

Свободные колебания.

Свободные колебания (или собственные колебания) — это колебания колебательной системы, совершаемые только благодаря первоначально сообщенной энергии (потенциальной или кинети­ческой) при отсутствии внешних воздействий.

Потенциальная или кинетическая энергия может быть сообщена, например, в механических системах через начальное смещение или начальную скорость.

Свободно колеблющиеся тела всегда взаимодействуют с другими телами и вместе с ними обра­зуют систему тел, которая называется колебательной системой.

Например, пружина, шарик и вертикальная стойка, к которой прикреплен верхний конец пружины (см. рис. ниже), входят в колебательную систему. Здесь шарик свободно скользит по струне (силы трения пренебрежимо малы). Если отвести шарик вправо и предоставить его самому себе, он будет совершать свободные колебания около положения равновесия (точки О) вследствие действия силы упругости пружины, направленной к положению равновесия.

Другим классическим примером механической колебательной системы является математический маятник (см. рис. ниже). В данном случае шарик совершает свободные колебания под действием двух сил: силы тяжести и силы упругости нити (в колебательную систему входит также Земля). Их равнодействующая направлена к положению равновесия.

Силы, действующие между телами колебательной системы, называются внутренними силами. Внешними силами называют­ся силы, действующие на систему со стороны тел, не входящих в нее. С этой точки зрения свобод­ные колебания можно определить как колебания в системе под действием внутренних сил после того, как система выведена из положения равновесия.

Условиями возникновения свободных колебаний являются:

1) возникновение в них силы, возвращающей систему в положение устойчивого равновесия, после того как ее вывели из этого состояния;

2) отсутствие трения в системе.

Динамика свободных колебаний.

.

Это дифференциальное уравнение движения тела, колеблющегося под действием силы упругости: вторая производная координаты по времени (ускорение тела) прямо пропорциональна его координате, взятой с противоположным знаком.

Знак минус появился потому, что сила и угол отклонения от положения равновесия α име­ют противоположные знаки. Для малых углов отклонения sin α ≈ α. В свою очередь, α = s/l, где s — дуга OA, I — длина нити. Учитывая, что а_τ = s», окончательно получим:

.

Вид уравнения аналогичен уравнению . Только здесь параметрами системы являются длина нити и ускорение свободного падения, а не жесткость пружины и масса шарика; роль координаты играет длина дуги (т. е. пройденный путь, как и в первом случае).

Таким образом, свободные колебания описываются уравнениями одного вида (подчиняются одним и тем же законам) независимо от физической природы сил, вызывающих эти колебания.

Решением уравнений и является функция вида:

То есть координата тела, совершающего свободные колебания, меняется с течением времени по закону косинуса или синуса, и, следовательно, эти колебания являются гармоническими:

В уравнении x = x_m cos ω₀ t (или x = x_m sin ω₀ t), х_m — амплитуда колебания, ω₀ — собственная циклическая (круговая) частота колебаний.

Циклическая частота и период свободных гармонических колебаний определяются свойствами системы. Так, для колебаний тела, прикрепленного к пружине, справедливы соотношения:

.

Собственная частота тем больше, чем больше жесткость пружины или меньше масса груза, что вполне подтверждается опытом.

Для математического маятника выполняются равенства:

.

Эта формула была впервые получена и проверена на опыте голландским ученым Гюйгенсом (современником Ньютона).

Период колебаний возрастает с увеличением длины маятника и не зависит от его массы.

Следует особо обратить внимание на то, что гармонические колебания являются строго периодическими (т. к. подчиняются закону синуса или косинуса) и даже для математического маятни­ка, являющегося идеализацией реального (физического) маятника, возможны только при малых углах колебания. Если углы отклонения велики, смещение груза не будет пропорционально углу отклонения (синусу угла) и ускорение не будет пропорционально смещению.

Скорость и ускорение тела, совершающего свободные колебания, также будут совершать гармонические колебания. Беря производную по времени функции (x = x_m cos ω₀ t (или x = x_m sin ω₀ t)), получим выражение для скорости:

где a_m = ω 2 ₀ x_m — амплитуда ускорения. Таким образом, амплитуда скорости гармонических коле­баний пропорциональна частоте, а амплитуда ускорения — квадрату частоты колебания.

Источник

Период свободных колебаний – формула

Свободные колебания – это колебания системы под действием только внутренних сил. Одним из важнейших параметров колебаний является период колебаний. Рассмотрим это понятие более подробно, его формулу и возможность измерения.

Свободные колебания

Колебания – это изменение некоторого параметра системы, которое происходит вокруг определенного среднего значения. Колебания могут быть периодическими (колебания маятника) и непериодическими (колебания флага на ветру).

Рис. 1. Колебания в природе.

Также колебания могут быть вынужденными и свободными. Вынужденные колебания – это колебания под действием внешних сил. Свободные колебания – это колебания под действием внутренних сил.

Флаг на ветру – это пример вынужденных колебаний. Он колеблется исключительно под воздействием ветра. Маятник – пример свободных колебаний. Нитяной маятник колеблется под действием силы тяжести, причина которой – масса самого маятника. Пружинный маятник колеблется под воздействием силы упругости, причина которой – внутренние напряжения деформации пружины.

Условия возникновения свободных колебаний

Для того, чтобы в системе могли возникать свободные колебания, необходимо выполнение следующих условий:

Для примера можно рассмотреть пружинный маятник. В нем выполняются все эти условия.

Рис. 2. Пружинный маятник.

Заметим, что сила, которая стремится возвратить маятник в положение равновесия, зависит от отклонения маятника, и тем больше, чем больше это отклонение. А значит, и ускорение, которое получает масса пружинного маятника, будет направлено к положению равновесия, и зависеть от отклонения. Ускорение – это вторая производная перемещения. Единственная функция, вторая производная которой пропорциональна самой функции – это круговая функция (синус или косинус). Колебания, происходящие по закону круговой функции, называются гармоническими. Такими колебаниями являются колебания пружинного маятника. Их формула:

Период свободных колебаний

Период колебаний – это время, за которое совершается одно колебание. Поскольку колебания маятника описываются круговой функцией, то ее период равен периоду этой функции.

То есть, зная жесткость пружины и массу маятника, можно получить период.

Зная период колебаний маятника и его массу, можно определить жесткость пружины.

При этом необходимо учесть ограничения формулы – максимальное отклонение нитяного маятника должно быть намного меньше его длины.

Рис. 3. График колебаний маятника.

Что мы узнали?

Хорошим примером свободных колебаний являются колебания маятника. Период его колебаний описывается специальной формулой, и его можно измерить, найдя отношение времени, за которое происходит несколько колебаний к числу этих колебаний. Найденное значение можно использовать для вычисления жесткости пружины в пружинном маятнике или для вычисления ускорения свободного падения в нитяном.

Источник

Условия возникновения свободных колебаний

Если бы не существовало трения, то движение шарика не прекратилось бы никогда. Однако трение и сопротивление воздуха препятствуют движению шарика. Направление силы сопротивления как при движении шарика вправо, так и при его движении влево все время противоположно направлению скорости. Размах его колебаний постепенно будет уменьшаться до тех пор, пока движение не прекратится. При малом трении затухание становится заметным лишь после того, как шарик совершит много колебаний. Если наблюдать движение шарика на протяжении не очень большого интервала времени, то затуханием колебаний можно пренебречь. В этом случае влияние силы сопротивления на движение можно не учитывать.

Если сила сопротивления велика, то пренебречь ее действием даже в течение малых интервалов времени нельзя.

Опустите шарик на пружине в стакан с вязкой жидкостью, например с глицерином (рис. 3.4). Если жесткость пружины мала, то выведенный из положения равновесия шарик совсем не будет колебаться. Под действием силы упругости он просто вернется в положение равновесия (штриховая линия на рисунке 3.4). За счет действия силы сопротивления скорость его в положении равновесия будет практически равна нулю.

Для того, чтобы в системе могли возникнуть свободные колебания, должны выполняться два условия. Во-первых, при выведении тела из положения равновесия в системе должна возникать сила, направленная к положению равновесия и, следовательно, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Именно так действует в рассмотренной нами системе (см. рис. 3.3) пружина: при перемещении шарика и влево, и вправо сила упругости направлена к положению равновесия. Во-вторых, трение в системе должно быть достаточно мало. Иначе колебания быстро затухнут. Незатухающие колебания возможны лишь при отсутствии трения.

Вопросы к параграфу

1. Какие колебания называют свободными?

2. При каких условиях в системе возникают свободные колебания?

3. Какие колебания называют вынужденными? Приведите примеры вынужденных колебаний.

Источник

§ 19. Условия возникновения свободных колебаний

1 Анализ колебаний шарика, подвешенного на вертикальной пружине, несколько сложнее. В этом случае действуют одновременно переменная сила упругости пружины и постоянная сила тяжести. Но характер колебаний в том и другом случаях совершенно одинаков.

Если немного сместить шарик из положения равновесия (рис. 3.3, а) вправо, то длина пружины увеличится на х_m (рис. 3.3, б), и на шарик начнет действовать сила упругости со стороны пружины. Эта сила согласно закону Гука пропорциональна деформации пружины и направлена влево. Если отпустить шарик, то под действием силы упругости он начнет двигаться с ускорением влево, увеличивая свою скорость. Сила упругости при этом будет убывать, так как деформация пружины уменьшается. В момент, когда шарик достигнет положения равновесия, сила упругости пружины станет равной нулю. Следовательно, согласно второму закону Ньютона станет равным нулю и ускорение шарика.

К этому моменту скорость шарика достигнет максимального значения. Не останавливаясь в положении равновесия, он будет по инерции продолжать двигаться влево. Пружина при этом сжимается. В результате появляется сила упругости, направленная уже вправо и тормозящая движение шарика (рис. 3.3, в). Эта сила, а значит, и направленное вправо ускорение увеличиваются по модулю прямо пропорционально модулю смещения х шарика относительно положения равновесия. Скорость же будет уменьшаться до тех пор, пока в крайнем левом положении шарика не обратится в нуль. После этого шарик начнет ускоренно двигаться вправо. С уменьшением модуля смещения х сила F_упр убывает по модулю и в положении равновесия опять обращается в нуль. Но шарик уже успевает к этому моменту приобрести скорость и, следовательно, по инерции продолжает двигаться вправо. Это движение приводит к растяжению пружины и появлению силы, направленной влево. Движение шарика тормозится до полной остановки в крайнем правом положении, после чего весь процесс повторяется сначала.

Если бы не существовало трения, то движение шарика не прекратилось бы никогда. Однако трение и сопротивление воздуха препятствуют движению шарика. Направление силы сопротивления как при движении шарика вправо, так и при его движении влево все время противоположно направлению скорости. Размах его колебаний постепенно будет уменьшаться до тех пор, пока движение не прекратится. При малом трении затухание становится заметным лишь после того, как шарик совершит много колебаний. Если наблюдать движение шарика на протяжении не очень большого интервала времени, то затуханием колебаний можно пренебречь. В этом случае влияние силы сопротивления на движение можно не учитывать.

Если сила сопротивления велика, то пренебречь ее действием даже в течение малых интервалов времени нельзя.

Опустите шарик на пружине в стакан с вязкой жидкостью, например с глицерином (рис. 3.4). Если жесткость пружины мала, то выведенный из положения равновесия шарик совсем не будет колебаться. Под действием силы упругости он просто вернется в положение равновесия (штриховая линия на рисунке 3.4). За счет действия силы сопротивления скорость его в положении равновесия будет практически равна нулю.

Для того, чтобы в системе могли возникнуть свободные колебания, должны выполняться два условия. Во-первых, при выведении тела из положения равновесия в системе должна возникать сила, направленная к положению равновесия и, следовательно, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Именно так действует в рассмотренной нами системе (см. рис. 3.3) пружина: при перемещении шарика и влево, и вправо сила упругости направлена к положению равновесия. Во-вторых, трение в системе должно быть достаточно мало. Иначе колебания быстро затухнут. Незатухающие колебания возможны лишь при отсутствии трения.

Вопросы к параграфу

1. Какие колебания называют свободными?

2. При каких условиях в системе возникают свободные колебания?

3. Какие колебания называют вынужденными? Приведите примеры вынужденных колебаний.

Источник