Реферат: Сложение колебаний

    Реферат

                                 На тему «Сложение колебаний»

            Студента I –го курса гр. 107

 ШлыковичаСергея

                                                                

      Минск 2001

 

Векторная диаграмма

            Колебанияминазываются движения или процессы, обладающие той или иной повторяемостью вовремени.

Сло­жениенескольких гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты становится нагляд­ным, если изображать колебания графическив виде векторов на плоскости. Полученная таким способом схема называется векторнойдиаграммой.

/>Возьмем ось, вдоль которой будем откладывать колеблющуюсявеличину  x. Из взятой на оси точки О отложим вектор длины A, образующий сосью угол α. Если привести этот вектор во вращение с угло­войскоростью ω0,то проекция конца вектора будет перемещать­ся по оси x в пределах от —А до+A, причем координата этой проекции будет изменяться современем по закону

/>

Следовательно,  проекция   конца    вектора на ось будет совершать гармонические  колебания  с  ам­плитудой, равной длине вектора, с круговой частотой, равной угловойскорости вращения вектора, и с на­чальной фазой, равной углу, образуемомувектором с осью в начальный момент времени.

Таким образом,гармоническое колебание может быть задано с помощью вектора, длина которого рав­наамплитуде колебания, а направление образует с осью x угол, равныйначальной фазе колебаний.

Рассмотрим сложение двухгармонических коле­баний одного направления и одинаковой частоты.Результирующее колебаниебудет суммой колеба­ний х1и x2, которые определяются функциями

/>, />  (1)

Представим оба колебания спомощью векторов A1и А2. Построимпо правилам сложения векторов результирующий вектор А. Нарисунке вид­но, что проекция этого вектора на ось x равна сум­ме проекций складываемых векторов:

/>

/>Поэтому, вектор Aпредставляет собой резуль­тирующее колебание. Этот векторвращается с той же угловой скоростью ω0,как и векторы А1и А2,так что сумма x1и х2является гармоническим колебанием счастотой (ω0, амплитудой A иначальной фа­зой α. Используя теорему косинусов получаем, что

/>           (2)

Также, из рисунка видно, что

/>                                        (3)

Представление гармонических колебаний спомощью    векторов    позволяет    заменить сложение функций сложением векторов, что значительно проще.


  Сложение колебаний во взаимноперпендикулярных направлениях.

 

Представим две взаимноперпен­дикулярные векторные величины xи y, изменяющие­ся современем с одинаковой частотой ω по гармони­ческому закону, то

/>      />              (1)

Где exи eуорты координатныхосей x и y, А и B — амплитудыколебаний. Величинами x иу можетбыть, например, смещения материальной точки (частицы) из положения равновесия.

В случае колеблющейсячастицы величины

/>, />                   (2)

определяют координаты частицы на плоскости xy. Частица будет двигаться по некоторой траектории, видкоторой зависит от раз­ности фаз обоих колебаний. Выражения (2) пред­ставляютсобой заданное в параметрической форме уравнение этой траектории. Чтобыполучить уравне­ние траектории в обычном виде, нужно исключить из уравнений (2)параметр t. Из первого уравне­нияследует, что

/> (3)Соответственно      /> (4)

Развернем косинус во втором из уравнений (2) поформуле для косинуса суммы:

/>

Подставим вместо cos ωt и sinωt их значения (3) и (4):

/>

/>

Преобразуем это уравнение

/>

/>

/>

/>          (5)

Это уравнение эллипса, оси которого по­вернуты относительнокоординатных осей х и у. Ори­ентация эллипса и его полуосизависят довольно сложным образом от амплитуд A и В и разности фаз α.

Попробуем найти форму траектории для несколькихчастных случаев.

1. Разность фаз α равна нулю.В этом случае уравнение (5) упрощается следующим образом:

/>

Отсюда получается уравнение прямой:

/> 

Результирующее движение является гармоническимколебанием вдоль этой прямой с частотой ω и ам­плитудой, равной />  (рис. 1 а).

2. Разность фаз α равна±π. Из уравнение   (5)  имеет вид

/>

Следовательно, результирующее движение представ­ляетсобой гармоническое колебание вдоль прямой

/>  (рис. 1 б)

/>

                                                                                              Рис.1

/>3. При /> уравнение(5) переходит в уравнение эллипса, приведенного к координатным осям:

/>

Полуоси эллипса равны соответствующим амплиту­дамколебаний. При равенстве амплитуд А и В эллипс превращается вокружность.

Случаи />и /> отличаются на­правлением движения по эллипсу илиокружности.

Следовательно, равномерноедвижение по окружности радиуса R с угловой скоростью ω может бытьпредставлено как сумма двух взаимно перпен­дикулярных колебаний:

/>,   />

(знак плюс в выражении для у соответствуетдвиже­нию против часовой стрелки, знак минус — движе­нию по часовой стрелке).

Есличастоты взаимно перпендикулярных колеба­ний не одинаковы, то траекториирезультирующего движения имеют вид сложных кривых, на­зываемых фигурамиЛиссажу.

еще рефераты
Еще работы по физике