Материал: Электричество и магнетизм. Курс лекций. Стрелядкин

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

П8.1 Сложение взаимно перпендикулярных колебаний, имеющих одинаковую частоту

Пусть точка смещается по оси x по закону: x=A∙cos(ω∙t+φ1), и одновременно по оси y по закону: y=A∙cos(ω∙t+φ2), т.е. происходит сложение (суперпозиция) взаимно перпендикулярных колебаний.

Исключая время t, из этих выражений можно получить уравнение траектории:

Это уравнение эллипса (см. рис. П8.1).

Рисунок П8.1 − В общем случае сумма двух взаимно перпендикулярных колебаний дает эллипс

Рассмотрим частные случаи:

1. Если φ1−φ2=0, ±2π, ±4π, ±n∙2π, где n − целое число (n=0, ±1, ±2...), то эллипс превращается в прямую, проходящую через 1 и 3 четверти (см. рис.

П8.2):

2. Если φ1−φ2=π±n∙2π, где n − целое число (n=0, ±1, ±2...), то прямая проходит через 2 и 4 четверти (см. рис. П8.2):

86

Рисунок П8.2 − Частный случай суммы двух взаимно перпендикулярных колебаний (эллипс вырождается в прямую)

3. При условии φ1−φ2=π/2±n∙π, где n − целое число (n=0, ±1, ±2...), то главные оси эллипса совпадают с осями x и y (см. рис. П8.3):

x2 y2 1 A2 B2

Рисунок П8.3 − Частный случай суммы двух взаимно перпендикулярных колебаний (центр и оси эллипса совпадает с центром и осями системы координат)

3.а. Если дополнительно выполняется условие: А=В, то эллипс переходит в окружность.

П8.2. Гармонические осцилляторы. Математический маятник

Математический маятник это точечная масса на невесомой нерастяжимой нити.

Тангенциальное ускорение aτ возникает под действием тангенциальной силы (см. рис. П8.4):

Fτ m g sinα m g α ,

(напомним, что при малых углах α sinα≈α). С другой стороны, ускорение aτ связано с угловым ускорением ε=d2α/dt2 соотношением:

ατ l ε l d2α , dt2

87

где l – длина нити.

Рисунок П8.4 − Математический маятник. Тангенциальная сила Fτ является составляющей силы тяжести и имеет знак противоположный углу α

Из второго закона Ньютона m∙ατ=Fτ, получаем:

Физический маятник

Физический маятник это тело, колеблющееся вокруг фиксированной точки (см. рис. П8.5).

Рисунок П8.5 − Физический маятник, точка C − центр массы тела

88

Момент силы М, действующий на тело, равен F∙«плечо»: M=−m∙g∙d∙sinα≈−m∙g∙d∙α. Сила T, проходящая через ось вращения, момента не создаёт. Уравнение движения такого маятника имеет вид:

маятника:

если длину математического маятника взять равной l=J/(m∙d). Эта величина называется приведённой длиной физического маятника.

Пружинный маятник

В разделе 6.2 мы получили выражение для круговой частоты и периода колебаний пружинного маятника (см. рис П8.6):

Рисунок П8.6 − Пружинный маятник

89

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х томах. Том 2. Электричество

имагнетизм. Волны. Оптика - М.: Лань, 2017. – 500 с.

2.Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Изд. Центр «Академия», 2016 – 560

90