Механические гармонические колебания
Пусть материальная точка совершает гармонические колебания вдоль горизонтальной оси координат х около положения равновесия принятого за начало координат.
Силы, неупругие по природе, но аналогичные по свойствам силам, возникающим при малых деформациях упругих тел, называют квазиупругими.
Зависимость координаты х от времени будет задаваться уравнением
x = A cos (wt+j0).
По второму закону Ньютона сила, действующая на колеблющуюся материальную точку массой т определяется по уравнению
Найдем вторую производную по времени от уравнения гармонических колебаний:
Данное уравнение называется дифференциальным уравнением свободных незатухающих колебаний. Решением дифференциального уравнения является выражение:
x = A cos (wt+j0).
Следовательно, сила пропорциональна смещению материальной точки из положения равновесия и направлена в сторону положения равновесия, т.е.
Найдем кинетическую энергию системы, колеблющейся по закону
x = A cos wt ,
приняв, что начальная фаза j0=0. Скорость равна первой производной по времени от смещения, т.е.
Кинетическая энергия может быть записана в виде
или .
Известно, что
.
Поэтому выражение для кинетической энергии можно переписать в виде
. (15.2.1)
Таким образом, кинетическая энергия меняется со временем также по гармоническому закону, но по сравнению с координатой x с удвоенной частотой.
При вычислении потенциальной энергии квазиупругих и упругих сил условимся отсчитывать её от положения равновесия, т.е. положим, что при x=0, Eр=0.
Тогда потенциальная энергия в точке x будет численно равна работе квазиупругой силы, совершенной при перемещении из положения равновесия в данную точку и взятой с обратным знаком
.
Учитывая, что x = A cos wt и k=mw2 получим
. (15.2.2)
Используя формулу преобразования , получим следующее выражение для потенциальной энергии:
.
Следовательно, потенциальная энергия также меняется со временем по гармоническому закону, но по сравнению с координатой x с удвоенной частотой и со сдвигом фазы относительно кинетической энергии Ек на p.
Найдем полную энергию системы, совершающей гармоническое колебательное движение с частотой w и амплитудой А:
;
или
. (15.2.3)
Таким образом, полная энергия гармонически колеблющейся системы есть величина постоянная и пропорциональная квадрату амплитуды колебаний.
В процессе движения происходит непрерывный переход кинетической энергии в потенциальную и обратно, но сумма их остается постоянной. Когда система проходит через положение равновесия x=0, потенциальная энергия обращается в нуль, а кинетическая энергия максимальна и равна полной энергии, т.е.
Когда колеблющаяся система доходит до одного из крайних положений x=±A, то u=0 и кинетическая энергия обращается в нуль
,
т.е. потенциальная энергия максимальна и равна полной энергии.
Дата добавления: 2016-12-09; просмотров: 1592;