11. DRGANIA TŁUMIONE I WYMUSZONE (4 strony) DRGANIA TŁUMIONE
Drgania układu na który działa siła tłumiąca proporcjonalna do wartości prędkości, ale dx
przeciwnie skierowana F = −β
(tak jak na przykład siła lepkości) opisuje równanie: r
dt
2
d x
dx
m
= − kx − β
2
dt
dt
po uporządkowaniu przyjmuje postać:
2
d x
dx
2
+
γ +ω x = 0
0
2
dt
dt
gdzie γ = β / m .
Równanie to ma dwa rodzaje rozwiązań, inne dla ω0 > γ/2 ι inne dla ω0 > γ/2.
• W przypadku, gdy ω0 > γ/2 rozwiązanie jest postaci γ t / 2
x =
−
A e
cos( ω γ t + ϕ )
0
0
opisujące drgania o częstości
1
2
2
ωγ = ω − γ ,
0
4
malejącej z czasem amplitudzie
−γ / 2
( )
t
A t = A e
0
i przesunięciu fazowym ϕ0.
Wartości A0 i ϕ0 moŜna wyznaczyć z wartości początkowych wychylenia z połoŜenia równowagi x0 = x(0) oraz prędkości v0 = v(0)
drgania tłumione
11/ 1
• W przypadku gdy ω0 < γ/2
rozwiązanie jest sumą dwóch funkcji wykładniczych
− a t
− a t
x = A e 1 + A e
2
1
2
gdzie
1
1
2
2
α = − γ −
γ − ω
1
0
2
4
oraz
1
1
2
2
α = − γ +
γ − ω
2
0
2
4
Ruch ciała w tym przypadku nie jest okresowy, mówimy, Ŝe jest to ruch aperiodyczny Rozwiązanie typu (a)
występuje gdy v0 jest
przeciwnie skierowane
do x0
oraz v > α x
0
1
0
DRGANIA WYMUSZONE
Drgania wymuszone powstają w układzie pod wpływem zewnętrznego źródła energii o zmieniającym się w czasie natęŜeniu np. drganie membrany głośnika pod wpływem zmiennego pola elektromagnetycznego, drgania obiektu wywołane ruchem podłoŜa, drgania w obwodzie elektrycznym wywołane zmiennym napięciem, drgania ładunków w atomach i cząsteczkach pod wpływem zmiennego pola elektrycznego fali świetlnej.
dx
Równanie drgań wymuszonych siłą F(t) i tłumionych siłą F = −β
jest postaci
r
dt
2
d x
dx
m
= − kx − β
+ F( t)
2
dt
dt
lub w wygodniejszej postaci
d 2 x
dx
2
F
+
γ + ω x
0
=
dt 2
dt
m
11/ 2
gdzie γ = β / m . Podstawiając siłę wymuszającą F = F cos(ω t + ϕ ) otrzymuje się 0
0
rozwiązanie w postaci drgań o tej samej częstości co siła wymuszająca. Wychylenie ciała z połoŜenia równowagi opisywane jest przez funkcję x = x cos( ω t + θ + ϕ ) 0
0
o amplitudzie
F /
0
x =
m
0
([
2
ω − ω
+ γ ω
0
)2
2
2
]122
i przesunięciu fazowym θ danym równaniem γω
tgθ = −
2
2
ω − ω
0
Kąt θ ma wartość ujemną dla wszystkich ω, co odpowiada wychyleniu x opóźnionemu w fazie w stosunku do siły F .
θ
dla β = 0 amplituda x0 = C a róŜnica faz , θ, jest równa 0 lub −π
11/ 3