background image

1

Drgania wymuszone oscylatora harmonicznego

Jeżeli oprócz tarcia istnieje siła zewnętrzna F(t),
 która ma za zadanie podtrzymywać gasnące drgania, 
przyłożona do oscylatora to równanie ruchu ma postać:

)

(

d

d

d

d

2

2

t

F

kx

t

x

t

x

M

po podstawieniu

 

 = M/

 oraz 

0

2 = k/M

otrzymujemy

M

t

F

x

t

x

t

x

)

(

d

d

1

d

d

2

0

2

2

background image

2

 

jest częstością własną układu, to jest częstością drgań swobodnych

 (gdy nie działa siła zewnętrzna i nie ma tarcia ani innych sił oporu, 
t stałą czasową związaną ze współczynnikiem tłumienia relacją 

 = 1/2

ponadto układ jest zasilany z częstością różną od częstości własnej

Gdy układ jest zasilany częstością 

 różną od 

0 ,

wówczas drgania będą odbywały się z częstością siły zewnętrznej 
a nie z częstością własną
. Siłę taką nazywamy siłą wymuszającą.

background image

3

Załóżmy, że siła wymuszająca ma postać:

t

M

t

F

M

t

F

sin

sin

)

(

0

0

0 

= F

0

/M.

w równaniu dwie wielkości okresowo zmienne: położenie x oraz siłę 
wymuszającą F; w najogólniejszym przypadku suma (złożenie) dwóch 
funkcji okresowych daje w wyniku też funkcję okresową 

background image

4

A

1

cos

t + A

2

sin

t = Asin(

t + 

)

background image

5

Szukamy rozwiązania postaci Asin(

t + 

)

 

- musimy znaleźć amplitudę A oraz przesunięcie fazowe 

.

Przesunięcie fazowe 

 mówi nam, 

o jaki kąt maksimum przemieszczenia wyprzedza maksimum siły 
(o ile przesunięte są wykresy x(t) i F(t)).

 

Np. siła osiąga swoje maksimum, gdy przemieszczenie jest równe zeru 
(i rośnie w kierunku dodatnim). Oznacza to, że x opóźnia się względem 
siły o /2.

background image

6

Poszukiwanie rozwiązania zaczynamy od obliczenia pochodnych

Równanie ruchu ma postać

background image

7

Równanie przekształcamy korzystając ze związków

otrzymujemy

background image

8

Równanie może być spełnione, gdy czynniki przy sin

t będą sobie równe,

a czynnik przy cos

t będzie równy zeru. Ten ostatni warunek można zapisać 

jako

2

2

0

2

2

0

2

/

cos

sin



tg

i wyznaczyć 

.

 

Amplituda

2

/

1

2

2

2

2

2

0

0

2

/

1

2

2

2

2

0

0

]

4

)

[(

]

)

/

(

)

[(

A

gdzie już podstawiono za cos

 i sin

background image

9

rozwiązanie





2

2

0

2

/

1

2

2

2

2

2

0

0

2

sin

]

4

)

[(



arctg

t

x

jest to rozwiązanie postaci

background image

10

Rezonan
s

Zauważmy, że chociaż drgania odbywają się z częstością siły wymuszającej, 
to amplituda i faza zależą od relacji pomiędzy częstością wymuszającą 
a częstością własną      .W szczególności, gdy częstość siły wymuszającej 
     osiągnie odpowiednią częstotliwość, to amplituda drgań może wzrosnąć 
gwałtownie nawet przy niewielkiej wartości siły wymuszającej. 

Zjawisko to nazywamy rezonansem

.

background image

11

rezonansowy wzrost amplitudy drgań w funkcji częstości siły wymuszającej

dla różnych wartości współczynnika tłumienia

0

 

A

4

3

2

1

0

 = 0

background image

12

2

2

0

0

2

A

dla częstości rezonansowej

2

2

0

2

r

Im mniejsze tłumienie    (dłuższy czas 

 

) tym większa amplituda A.

 

Jeżeli tłumienie jest słabe

wówczas maksymalna amplituda odpowiada częstości drgań własnych 

Jednocześnie, ten warunek odpowiada przesunięciu fazowemu 

 = /2 

pomiędzy siłą a wychyleniem. 

background image

13

Skutki rezonansu mogą być zarówno pozytywne jak i negatywne. 

Z jednej strony staramy się wyeliminować przenoszenie drgań, 

np. z silnika na elementy nadwozia w samochodzie, a z drugiej 

strony działanie odbiorników radiowych i telewizyjnych jest możliwe 

dzięki wykorzystaniu rezonansu elektrycznego. Dostrajając odbiornik
 
do częstości nadajnika spełniamy właśnie warunek rezonansu. 

background image

14

Składanie drgań równoległych

 

Jaki będzie wynik nałożenia się dwóch drgań harmonicznych
 o kierunkach równoległych, ale różnych częstościach, amplitudach i fazach?

 

Wychylenie wypadkowe będzie sumą obu wychyleń. 

 

Szczególnie ciekawy jest przypadek, kiedy obie częstości mają zbliżone 
wartości.
 

Dla uproszczenia przyjmiemy, że amplitudy i fazy są takie same, 
a różnica ich częstości 

 

jest niewielka

.

 

background image

15

wzór przestawia drganie harmoniczne, ale z amplitudą, która zmienia się 
periodycznie z częstością znacznie mniejszą od 

Zjawisko to nazywa się  dudnieniem

.

background image

16

background image

17

Składanie drgań prostopadłych 

Gdy drgania punktu materialnego odbywają się równocześnie 
w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach, na przykład wzdłuż osi i y

prostokątnego układu współrzędnych,

 

wypadkowy ruch tego punktu na płaszczyźnie można opisać z pomocą równań:

 

background image

18

Jeśli częstości drgań są jednakowe i różnica faz wynosi zero, 
to ruch wypadkowy będzie odbywał się wzdłuż prostej o równaniu 

background image

19

Jeśli częstości drgań są jednakowe i różnica faz wynosi

 

to ruch będzie ruchem harmonicznym wzdłuż prostej o równaniu

 

background image

20

background image

21

Podana wyżej relacja pomiędzy ruchem harmonicznym i ruchem po okręgu 
jest jednak tylko przypadkiem szczególnym składania harmonicznych drgań 
prostopadłych. Kiedy częstości drgań w obu kierunkach różnią się, to tor punktu 
tworzy skomplikowane figury zwane figurami Lissajou. 

Figury te mieszczą się w prostokącie o wymiarach

 

Stosunek liczby punktów stycznych do obu boków 
prostokąta wyznacza stosunek częstości obu ruchów składowych:

 

background image

22


Document Outline