(или собственные колебания ) — это колебания колебательной системы, совершаемые только благодаря первоначально сообщенной энергии (потенциальной или кинети-ческой) 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 обра-зуют 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 называют-ся силы, действующие на систему со стороны тел, не входящих в нее. С этой точки зрения свобод-ные 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.

Колебания тела под действием сил упругости . Уравнение колебательного движения тела под действием силы упругости F () может быть получено с учетом второго закона Ньютона (F = mа ) и закона Гука (F упр = -kx ), где m — масса шарика, а — ускорение, приобретаемое шариком под действием силы упругости, k — коэффициент жесткости пружины, х — смещение тела от положения равновесия (оба уравнения записаны в проекции на горизонтальную ось Ох ). Приравнивая правые части этих уравнений и учитывая, что ускорение а — это вторая производная от координаты х (смещения), получим:

Аналогично выражение для ускорения а получим, дифференцируя (v = -v m sin ω 0 t = -v m x m cos (ω 0 t + π/2) ):

a = -a m cos ω 0 t,

где a m = ω 2 0 x m — амплитуда ускорения. Таким образом, амплитуда скорости гармонических коле-баний пропорциональна частоте, а амплитуда ускорения — квадрату частоты колебания.

ОК-1 Механические колебания

Механические колебания - это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.

Вынужденные колебания - это колебания, которые происходят под действием внешней, периодически изменяющейся силы.

Свободные колебания - это колебания, которые возникают в системе под действием внутренних сил, после того как система была выведена из положения устойчивого равновесия.

Колебательные системы

Условия возникновения механических колебаний

1. Наличие положения устойчивого равновесия, при котором равнодействующая равна нулю.

2. Хотя бы одна сила должна зависеть от координат.

3. Наличие в колеблющейся материальной точке избыточной энергии.

4. Если вывести тело из положения равновесия, то равнодействующая не равна нулю.

5. Силы трения в системе малы.

Превращение энергии при колебательном движении

В неустойчивом равновесии имеем: E п →E к →E п →E к →E п.

За полное колебание
.

Выполняется закон сохранения энергии.

Параметры колебательного движения

1
. Смещениех - отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени.

2. Амплитудах 0 - наибольшее смещение от положения равновесия.

3. ПериодТ - время одного полного колебания. Выражается в секундах (с).

4. Частотаν - число полных колебаний за единицу времени. Выражается в герцах (Гц).

Свободные колебания математического маятника

Математический маятник – модель – материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити.

Запись движения колеблющейся точки как функции времени.

В
ыведем маятник из положения равновесия. Равнодействующая (тангенциальная)F т = –mg sinα , т. е.F т – проекция силы тяжести на касательную к траектории тела. Согласно второму закону динамикиma т =F т. Так как уголα очень мал, тоma т = –mg sinα .

Отсюда a т =g sinα ,sinα =α =s /L ,

Следовательно, a ~s в сторону равновесия.

Ускорение а материальной точки математического маятника пропорционально смещению s .

Таким образом, уравнение движения пружинного и математического маятников имеют одинаковый вид: а ~ х .

Период колебания

Пружинный маятник

Предположим, что собственная частота колебаний тела, прикрепленного к пружине,
.

Период свободных колебаний
.

Циклическая частота ω = 2πν .

Следовательно,
.

Получаем , откуда
.

Математический маятник

С
обственная частота математического маятника
.

Циклическая частота
,
.

Следовательно,
.

Законы колебаний математического маятника

1. При небольшой амплитуде колебаний период колебания не зависит от массы маятника и амплитуды колебаний.

2. Период колебания прямо пропорционален корню квадратному из длины маятника и обратно пропорционален корню квадратному из ускорения свободного падения.

Гармонические колебания

П
ростейший вид периодических колебаний, при которых периодические изменения во времени физических величин происходят по закону синуса или косинуса, называют гармоническими колебаниями:

x =x 0 sinωt илиx =x 0 cos(ωt + φ 0),

где х - смещение в любой момент времени;х 0 - амплитуда колебаний;

ωt + φ 0 - фаза колебаний;φ 0 - начальная фаза.

Уравнение x =x 0 cos(ωt + φ 0), описывающее гармонические колебания, является решением дифференциального уравненияx " +ω 2 x = 0.

Дважды продифференцировав это уравнение, получим:

x " = −ω 0 sin(ωt + φ 0),x " = −ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0),ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0) −ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0).

Если какой-либо процесс можно описать уравнением x " +ω 2 x = 0, то совершается гармоническое колебание с циклической частотойω и периодом
.

Таким образом, при гармонических колебаниях скорость и ускорение также изменяются по закону синуса или косинуса .

Так, для скорости v x =x " = (x 0 cosωt )" =x 0 (cosωt )" , т.е.v= −ωx 0 sinωt ,

или v=ωx 0 cos(ωt +π /2) =v 0 cos(ωt +π /2), гдеv 0 =x 0 ω - амплитудное значение скорости. Ускорение изменяется по закону:a x =v" x =x " = −(ωx 0 sinωt )" = −ωx 0 (sinωt )" ,

т.е. a = −ω 2 x 0 cosωt =ω 2 x 0 cos(ωt +π ) =α 0 cos(ωt +π ), гдеα 0 =ω 2 x 0: - амплитудное значение ускорения.

Преобразование энергии при гармонических колебаниях

Если колебания тела происходят по закону x 0 sin(ωt + φ 0), токинетическая энергия тела равна :

Потенциальная энергия тела равна :
.

Так как k =mω 2 , то
.

За нулевой уровень отсчета потенциальной энергии выбирается положение равновесия тела (х = 0).

Полная механическая энергия системы равна:
.

ОК-3 Кинематика гармонических колебаний

Фаза колебаний φ - физическая величина, которая стоит под знакомsinилиcosи определяет состояние системы в любой момент времени согласно уравнениюх =x 0 cosφ .

Смещение х тела в любой момент времени

x
=x 0 cos(ωt + φ 0), гдеx 0 - амплитуда;φ 0 - начальная фаза колебаний в начальный момент времени (t = 0), определяет положение колеблющейся точки в начальный момент времени.

Скорость и ускорение при гармонических колебаниях

Е
сли тело совершает гармонические колебания по законуx =x 0 cosωt вдоль осиОх , то скорость движения телаv x определяется выражением
.

Более строго, скорость движения тела - производная координаты х по времениt :

v
x =x " (t ) = −xω sinω =x 0 ω 0 ω cos(ωt +π /2).

Проекция ускорения: a x =v" x (t ) = −x 0 ω cosωt =x 0 ω 2 cos(ωt +π ),

v max =ωx 0 ,a max =ω 2 x .

Если φ 0 x = 0, тоφ 0 v =π /2,φ 0 a =π .

Резонанс

Р езкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний тела при совпадении частоты ω F изменения действующей на это тело внешней силы с собственной частотой ω с свободных колебаний данного тела - механический резонанс. Амплитуда возрастает, еслиω F →ω с ; становится максимальной приω с =ω F (резонанс).

Возрастание x 0 при резонансе тем больше, чем меньше трение в системе. Кривые1 ,2 ,3 соответствуют слабому, сильному критическому затуханию:F тр3 >F тр2 >F тр1 .

При малом трении резонанс острый, при большом трении тупой. Амплитуда при резонансе равна:
, гдеF max - амплитудное значение внешней силы;μ - коэффициент трения.

Использование резонанса

Раскачивание качелей.

Машины для утрамбовки бетона.

Частотомеры.

Борьба с резонансом

Уменьшить резонанс можно, увеличив силу трения или

На мостах поезда движутся с определенной скоростью.

Колебательные движения широко распространены в окружающей нас жизни. Примерами колебаний могут служить: движение иглы швейной машины, качелей, маятника часов, крыльев насекомых во время полета и многих других тел.

В движении этих тел можно найти много различий. Например, качели движутся криволинейно, а игла швейной машины - прямолинейно; маятник часов колеблется с большим размахом, чем крылья стрекозы. За одно и то же время одни тела могут совершать большее число колебаний, чем другие.
Но при всём разнообразии этих движений у них есть важная общая черта: через определённый промежуток времени движение любого тела повторяется.

Действительно, если шарик отвести от положения равновесия и отпустить, то он, пройдя через положение равновесия, отклонится в противоположную сторону, остановится, а затем вернётся к месту начала движения. За этим колебанием последует второе, третье и т. д., похожие на первое.

Промежуток времени, через который движение повторяется, называется периодом колебаний.

Поэтому говорят, что колебательное движение периодично.

В движении колеблющихся тел кроме периодичности есть ещё одна общая черта.

Обрати внимание!

За промежуток времени, равный периоду колебаний, любое тело дважды проходит через положение равновесия (двигаясь в противоположных направлениях).

Повторяющиеся через равные промежутки времени движения, при которых тело многократно и в разных направлениях проходит положение равновесия, называются механическими колебаниями.

Под действием сил, возвращающих тело в положение равновесия, тело может совершать колебания как бы само по себе. Первоначально эти силы возникают благодаря совершению над телом некоторой работы (растяжению пружины, поднятию на высоту и т.п.), что приводит к сообщению телу некоторого запаса энергии. За счёт этой энергии и происходят колебания.

Пример:

Чтобы заставить качели совершать колебательные движения, нужно сначала вывести их из положения равновесия, оттолкнувшись ногами, либо сделать это руками.

Колебания, происходящие благодаря только начальному запасу энергии колеблющегося тела при отсутствии внешних воздействий на него, называются свободными колебаниями.

Пример:

Примером свободных колебаний тела являются колебания груза, подвешенного на пружине. Первоначально выведенный из равновесия внешними силами груз в дальнейшем будет колебаться только за счет внутренних сил системы «груз-пружина» - силы тяжести и силы упругости.

Условия возникновения свободных колебаний в системе:

а) система должна находиться в положении устойчивого равновесия: при отклонении системы от положения равновесия должна возникать сила, стремящаяся вернуть систему в положение равновесия - возвращающая сила;
б) наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с ее энергией в положении равновесия;
в) избыточная энергия, полученная системой при смещении ее из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоления сил трения при возвращении в положение равновесия, т.е. силы трения в системе должны быть достаточно малы.

Свободно колеблющиеся тела всегда взаимодействуют с другими телами и вместе с ними образуют систему тел, которая получила название колебательной системы.

Системы тел, которые способны совершать свободные колебания, называются колебательными системами.

Одно из основных общих свойств всех колебательных систем заключается в возникновении в них силы, возвращающей систему в положение устойчивого равновесия.

Пример:

В случае колебаний шарика на нити шарик совершает свободные колебания под действием двух сил: силы тяжести и силы упругости нити. Их равнодействующая направлена к положению равновесия.

«Колебания физика» - Найдем разность фаз?? между фазами смещения х и скорости?x. Силы же имеющие иную природу, но удовлетворяющие (1) называются квазиупругими. Т.к. синус и косинус изменяются в пределах от +1 до – 1, Фаза измеряется в радианах. , Или. 1.5 Энергия гармонических колебаний. Разделы оптики: геометрическая, волновая, физиологическая.

«Вынужденные колебания резонанс» - Резонанс моста под действием периодических толчков при прохождении поезда по стыкам рельсов. В радиотехнике. Резонанс весьма часто наблюдается в природе и играет огромную роль в технике. Характер явления Резонанс существенно зависит от свойств колебательной системы. Роль резонанса. В др. случаях резонанс играет положительную роль, например:

«Колебательное движение» - Особенность колебательного движения. Крайнее правое положение. Крайнее левое положение. Маятник часов. V=0 м/с а=max. Механизм колебания. Ветки деревьев. Примеры колебательных движений. Положение равновесия. Игла швейной машинки. Рессоры вагона. Условия возникновения колебаний. Качели. Колебательное движение.

«Урок механические колебания» - II. 1. Колебания 2. Колебательная система. 2. Колебательная система – система тел, способных совершать колебательные движения. Х [м] - смещение. 1. Муниципальное общеобразовательное учреждение – Гимназия №2. Свободные колебания. 3. Основное свойство колебательных систем. Техническая поддержка урока:

«Колебание точки» - Вынужденные колебания. 11. 10. 13. 12. Малое сопротивление. Коэффициент динамичности. 4. Примеры колебаний. 1. Примеры колебаний. Движение является затухающим и апериодичным. Движение = свободные колебания + вынужденные колебания. Лекция 3: прямолинейные колебания материальной точки. 6. Свободные колебания.

«Физический и математический маятник» - Выполнила Юнченко Татьяна. Математический маятник. Презентация

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Колебательное движение – это движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени, при котором тело многократно и в разных направлениях проходит положение .

Колебательное движение наряду с поступательным и вращательным является одним из видов .

Физическая система (или тело), в которой при отклонении от положения равновесия возникают колебания, называется колебательной системой. На рис.1 представлены примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна.

Рис.1. Примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна

Если в колебательной системе отсутствуют потери , связанные с действием , то колебания будут продолжаться бесконечно долго. Такие колебательные системы называются идеальными. В реальных колебательных системах всегда существуют потери энергии, обусловленные силами сопротивления, в результате чего колебания не могут продолжаться бесконечно долго, т.е. являются затухающими.

Свободные колебания – это колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил. – колебания, возникающие в системе под действием внешней периодической .

Условия возникновения свободных колебаний в системе

• система должна находиться в положении устойчивого : при отклонении системы от положения равновесия должна возникать сила, стремящаяся вернуть систему в положение равновесия — возвращающая ;
• наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с ее энергией в положении равновесия;
• избыточная , полученная системой при смещении ее из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоления сил трения при возвращении в положение равновесия, т.е. в системе должны быть достаточно малы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Какие из приведенных движений являются примером механических колебаний: а) движение крыльев стрекозы; б) движение парашютиста, опускающегося на землю; в) движение Земли вокруг Солнца; г) движение травы на ветру; д) движение шарика на дне сферической чаши; ж) движение качелей? В каких случаях колебания являются вынужденными и почему?

Ответ

Примером являются следующие случаи: а) движение крыльев стрекозы; г) движение травы на ветру; д) движение шарика на дне сферической чаши; ж) движение качелей. Во всех этих случаях тела совершают движения, повторяющиеся во времени, проходя одни и те же положения в прямом и в обратном порядке. Земля, оборачиваясь вокруг Солнца, совершает повторяющееся движение, однако она не меняет направление своего движения, поэтому случай в) движение Земли вокруг Солнца; не является примером механических колебаний. Вынужденными колебаниями являются случаи а) движение крыльев стрекозы; и г) движение травы на ветру. В обоих случаях колебания совершаются под действием внешней силы (в первом случае – силы мышц стрекозы, во втором случае – силы ветра). В случае ж) движение качелей колебания будут вынужденными, если время от времени раскачивать качели. Если же вывести качели из положения равновесия и отпустить, колебания будут свободными.

ПРИМЕР 2

Задание

Колебания каких из приведенных ниже тел будут свободными: а) поршень в цилиндре двигателя; б) игла швейной машины; в) ветка дерева после того, как с нее слетела птица; г) струна музыкального инструмента; д) конец стрелки компаса; е) мембрана телефона при разговоре; ж) чаши рычажных весов?

Ответ

Колебания будут свободными в случаях: в) ветка дерева после того, как с нее слетела птица; г) струна музыкального инструмента; д) конец стрелки компаса и ж) чаши рычажных весов. Во всех этих случаях внешнее усилие только выводит систему из положения равновесия, колебания же в системе совершаются под действием внутренних сил. В случаях в), и г) это силы упругости, в случае д) – сила со стороны магнитного поля Земли в случае ж) – это