Электричество и магнетизм. Ч.3. Муравьев А.Б - 32 стр.

UptoLike

63
Решение уравнения (1) можно представить в виде
ueS
t
δ
= , (2)
где
u = u(t).
Чтобы определить вид функции
u(t) вычислим первую и вторую
производные выражения (2) и подставим их в (1)
.)(0
22
0
=+ uu
δω
Интерес представляет случай, когда
0
22
0
>
δω
. Введём обозна-
чение
22
0
2
δωω
=
. (3)
Тогда получаем дифференциальное уравнение
0
2
=+ uu
ω
,
аналогичное дифференциальному уравнению свободных незатухающих
колебаний.
Если затухание невелико и выполняется условие
22
0
δω
>> , то бу-
дут происходить колебания с частотой ω по закону )cos(
00
ϕ
ω
+
=
tAu .
Следовательно, решение уравнения (1) имеет вид
)cos(
00
ϕω
δ
+
= t
t
eAS , (4)
где
A =
t
eA
δ
0
(5)
амплитуда затухающих колебаний, A
0
начальная амплитуда.
Зависимость (4) показана на рис. 1 сплошной линией, а зависи-
мость (5) – штриховыми линиями. Из уравнения (4) следует, что систе-
ма будет совершать колебания с частотой ω.
)cos(
0
ϕ+ω=
δ
teAS
t
t
eAA
δ
=
0
t
eAA
δ
=
0
T
t
S, A
A
0
-A
0
Рис. 1
64
Строго говоря, затухающие колебания не являются периодиче-
скими ввиду того, что затухание нарушает периодичность колебаний.
Однако если затухание мало и выполняется условие
22
0
δω
>> , то можно
условно использовать понятия периода и частоты затухающих колеба-
ний. Период затухающих колебаний
T (см. рис. 1) равен времени между
двумя последующими максимумами колеблющейся величины. При ма-
лых затуханиях можно считать, что период колебаний остаётся посто-
янным. Период затухающих колебаний
22
0
22
δω
π
ω
π
==T
.
При увеличении коэффициента затухания δ период затухающих
колебаний
T и при δ = ω
0
обращается в бесконечность. Это означает, что
при δ ω
0
движение системы не будет колебательным. Такие процессы
называются апериодическими.
Если
A(t) и A(t + T) – амплитуды двух последовательных колеба-
ний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, то
отношение
T
e
TtA
tA
δ
=
+ )(
)(
называется декрементом затухания, а его ло-
гарифм
T
TtA
tA
δΘ
=
+
=
)(
)(
ln логарифмическим декрементом затухания.
Важной характеристикой колебательной системы является доб-
ротность
Qбезразмерная величина, равная произведению 2π на отно-
шение энергии
W(t) колебаний системы в произвольный момент време-
ни
t к убыли этой энергии за промежуток времени от t до t + T, т. е. за
один период колебания
)()(
)(
TtWtW
tW
Q
+
=
π
2 .
Поскольку энергия
W(t) пропорциональна квадрату амплитуды
колебаний
A(t), то
δβ
ππ
π
2222
2
1
2
1
2
2
=
=
+
=
eeTtAtA
tA
Q
T
)()(
)(
.
При малых значениях логарифмического декремента затухания
(δ << 1) (1 – e
-2δ
2δ) добротность колебательной системы
δ
ω
δ
π
Θ
π
2
0
0
===
T
Q
(6)
(
T принято равным T
0
, так как затухание невелико (
22
0
δω
>> )).
       Решение уравнения (1) можно представить в виде                                  Строго говоря, затухающие колебания не являются периодиче-
                                  S =e −δt u ,                 (2)               скими ввиду того, что затухание нарушает периодичность колебаний.
где u = u(t).                                                                    Однако если затухание мало и выполняется условие ω 02 >> δ 2 , то можно
       Чтобы определить вид функции u(t) вычислим первую и вторую                условно использовать понятия периода и частоты затухающих колеба-
производные выражения (2) и подставим их в (1)                                   ний. Период затухающих колебаний T (см. рис. 1) равен времени между
                           u + (ω 02 − δ 2 )u = 0.                             двумя последующими максимумами колеблющейся величины. При ма-
        Интерес представляет случай, когда ω02 − δ 2 > 0 . Введём обозна-        лых затуханиях можно считать, что период колебаний остаётся посто-
                                                                                                                         2π       2π
чение                                                                            янным. Период затухающих колебаний T =      =             .
                                                                                                                          ω     ω 02 − δ 2
                             ω 2 = ω 02 − δ 2 .                          (3)
      Тогда получаем дифференциальное уравнение                                         При увеличении коэффициента затухания δ период затухающих
                              u + ω 2u = 0 ,                                   колебаний T и при δ = ω0 обращается в бесконечность. Это означает, что
аналогичное дифференциальному уравнению свободных незатухающих                   при δ ≥ ω0 движение системы не будет колебательным. Такие процессы
колебаний.                                                                       называются апериодическими.
                                                                                        Если A(t) и A(t + T) – амплитуды двух последовательных колеба-
      Если затухание невелико и выполняется условие ω 02 >> δ 2 , то бу-
                                                                                 ний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, то
дут происходить колебания с частотой ω по закону u = A0 cos(ωt + ϕ 0 ) .                         A(t )
                                                                                 отношение                = eδT называется декрементом затухания, а его ло-
      Следовательно, решение уравнения (1) имеет вид                                           A(t + T )
                        S = A e −δt cos(ωt + ϕ ) ,                       (4)                        A(t )
                                0                 0                              гарифм Θ = ln              = δT – логарифмическим декрементом затухания.
        где                                                                                       A(t + T )
                             A = A0 e −δt                        (5)                    Важной характеристикой колебательной системы является доб-
– амплитуда затухающих колебаний, A0 – начальная амплитуда.                      ротность Q – безразмерная величина, равная произведению 2π на отно-
      Зависимость (4) показана на рис. 1 сплошной линией, а зависи-              шение энергии W(t) колебаний системы в произвольный момент време-
мость (5) – штриховыми линиями. Из уравнения (4) следует, что систе-             ни t к убыли этой энергии за промежуток времени от t до t + T, т. е. за
ма будет совершать колебания с частотой ω.                                                                                     W (t )
                                                                                 один период колебания Q = 2π                              .
                                                                                                                       W (t ) − W (t + T )
              S, A            S = A0 e − δt cos(ωt + ϕ)                                 Поскольку энергия W(t) пропорциональна квадрату амплитуды
                                                             A = A0 e − δt                                             A2 (t )             2π            2π
                                                                                 колебаний A(t), то Q = 2π 2                          =      − 2 βT
                                                                                                                                                    =            .
         A0                                                                                                     A (t ) − A (t + T ) 1 − e
                                                                                                                           2
                                                                                                                                                      1 − e − 2δ
                                                                                        При малых значениях логарифмического декремента затухания
                                    T
                                                                                 (δ << 1) (1 – e-2δ ≈ 2δ) добротность колебательной системы
                                                                             t                                         π       π      ω
                                                                                                                 Q= =               = 0                            (6)
        -A0                                                                                                            Θ δT           2δ
                                                                                                                                 0
                                                          A = − A0 e − δt        (T принято равным T0, так как затухание невелико ( ω 02 >> δ 2 )).

                                    Рис. 1

                                     63                                                                                   64