DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

Podobne dokumenty
DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wykład 6 Drgania. Siła harmoniczna

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Plan wykładu. Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne. Oscylator harmoniczny Przykłady zastosowań. dr inż.

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

Drgania - zadanka. (b) wyznacz maksymalne położenie, prędkość i przyspieszenie ciała,

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

m Jeżeli do końca naciągniętej (ściśniętej) sprężyny przymocujemy ciało o masie m., to będzie na nie działała siła (III zasada dynamiki):

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Siła sprężystości - przypomnienie

Podstawy fizyki wykład 7

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU Z FIZYKI W SEMESTRZE ZIMOWYM Elektronika i Telekomunikacja oraz Elektronika 2017/18

Drgania. O. Harmoniczny

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

Wyznaczanie modułu sztywności metodą Gaussa

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Powtórzenie drgań harmonicznych, mechanicznych i w obwodach elektrycznych RLC, obwody prądu zmiennego, samoindukcja (ćw. 1, 7, 8)

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Prawa ruchu: dynamika

Podstawy fizyki wykład 4

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Prosty oscylator harmoniczny

DRGANIA MECHANICZNE. Poniższe materiały tylko dla studentów uczęszczających na zajęcia. Zakaz rozpowszechniania i powielania bez zgody autora.

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Drgania i fale sprężyste. 1/24

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Prawa ruchu: dynamika

Siła elektromotoryczna

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Zadanie domowe z drgań harmonicznych - rozwiązanie trzech wybranych zadań

Kinematyka: opis ruchu

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

a, F Włodzimierz Wolczyński sin wychylenie cos cos prędkość sin sin przyspieszenie sin sin siła współczynnik sprężystości energia potencjalna

Drgania i fale II rok Fizyk BC

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

α - stałe 1 α, s F ± Ψ taka sama Drgania nieliniowe (anharmoniczne) Harmoniczne: Inna zależność siły od Ψ : - układ nieliniowy,

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Laboratorium Mechaniki Technicznej

Fizyka Elementarna rozwiązania zadań. Część 20, 21 i 22 Przygotowanie: Grzegorz Brona,

Wykład 1: Fale wstęp. Drgania Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

VII. Drgania układów nieliniowych

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

Fale mechaniczne i akustyka

PRACOWNIA FIZYCZNA DLA UCZNIÓW WAHADŁA SPRZĘŻONE

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wyznaczanie modułu sprężystości za pomocą wahadła torsyjnego

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

1. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie. drgań. kilkukrotnie sprawdzając z jaką niepewnością statystyczną możemy mieć do czynienia. pomiarze.

Testy Która kombinacja jednostek odpowiada paskalowi? N/m, N/m s 2, kg/m s 2,N/s, kg m/s 2

Ruch drgający i falowy

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

WAHADŁO SPRĘŻYNOWE. POMIAR POLA ELIPSY ENERGII.

Zagadnienia na egzamin ustny:

5) W czterech rogach kwadratu o boku a umieszczono ładunki o tej samej wartości q jak pokazano na rysunku. k=1/(4πε 0 )

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

Fizyka 5. Janusz Andrzejewski

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

Wyznaczanie prędkości lotu pocisku na podstawie badania ruchu wahadła balistycznego

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

, to: Energia całkowita w ruchu harmonicznym prostym jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy.

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

Zadanie 18. Współczynnik sprężystości (4 pkt) Masz do dyspozycji statyw, sprężynę, linijkę oraz ciężarek o znanej masie z uchwytem.

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy II gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Wykład 3 Ruch drgający Ruch falowy

Egzamin z fizyki Informatyka Stosowana

Ć W I C Z E N I E N R M-2

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

4.2 Analiza fourierowska(f1)

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

Natomiast dowolny ruch chaotyczny, np. ruchy Browna, czy wszelkie postacie ruchu postępowego są przykładami ruchu nie będącego ruchem drgającym.

Transkrypt:

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY wyklad 8 017/018, zima 1

Własności sprężyste ciał stałych Przedmiot: Fizyka naprężenie rozciągające naprężenie ścinające naprężenie objętościowe Względne odkształcenie ciała zależy od naprężenia naprężenie to siła odkształcająca odniesiona do jednostki pola powierzchni, na jaką działa naprężenie = (moduł sprężystości) (odkształcenie) gdy próbka powraca do pierwotnych wymiarów po usunięciu naprężenia wyklad 8 017/018, zima

Rozciąganie i ściskanie Naprężenie σ definiuje się jako: Przedmiot: Fizyka gdzie F jest wartością siły przyłożonej do ciała w miejscu, w którym ciało ma pole S przekroju prostopadłego do kierunku działania siły Miarą odkształcenia jest wielkość bezwymiarowa ΔL/L względna zmiana długości W granicach sprężystości czyli dla małych odkształceń obowiązuje prawo Hooke a E- moduł Younga F S L E L wyklad 8 017/018, zima 3 F S

Materiał Gęstość ρ (kg/cm 3 ) Moduł Younga E (10 9 N/m ) Naprężenie niszczące (10 6 N/m ) Przedmiot: Fizyka Wybrane własności sprężyste pewnych materiałów Granice sprężystości (10 6 N/m ) Stal a 7860 00 400 50 Al 710 70 110 95 Beton c 30 30 40 b - Kość 1900 9 b 170 b - a stal konstrukcyjna ASTM-A36, b przy ściskaniu, c o dużej wytrzymałości wyklad 8 017/018, zima 4

Naprężenie ścinające Przedmiot: Fizyka W przypadku odkształcenia poprzecznego (ścinania) naprężenie σ definiuje się również jako: F S ale siła działa równolegle do powierzchni S Miarą odkształcenia jest wielkość bezwymiarowa Δx/L F S G x L moduł ścinania wyklad 8 017/018, zima 5

Naprężenie objętościowe Przedmiot: Fizyka Naprężeniem jest ciśnienie p cieczy p F S Jednostką ciśnienia jest 1 Pa = 1N/m Miarą odkształcenia jest względna zmiana objętości ΔV/V p V K V K - moduł sprężystości objętościowej lub moduł ściśliwości wyklad 8 017/018, zima 6

Przykład 1 Na dnie Oceanu Spokojnego, którego średnia głębokość jest równa około 4000 m, panuje ciśnienie 4,0 10 7 N/m. Ile wynosi, związana z tym ciśnieniem, względna zmiana objętości ΔV/V wody a ile kulki wykonanej ze stali? Moduł ściśliwości wynosi, 10 9 N/m dla wody, a dla stali 16 10 10 N/m. Rozwiązanie: V V p K V V 4 10 dla wody 1,8 % 7, 10 9 dla kuli stalowej V V 4 10 16 10 7 10 0,05% wyklad 8 017/018, zima 7

Oscylator harmoniczny siła harmoniczna F kx siła F proporcjonalna do wychylenia x z położenia równowagi zwrot siły: do położenia równowagi F S L E L k = ES / L k k k k Przedmiot: Fizyka Tylko dla małych wychyleń x z położenia równowagi!!! wyklad 8 017/018, zima 8

Równanie ruchu otrzymujemy z II zasady dynamiki Newtona F wyp ma m d otrzymujemy ogólne równanie różniczkowe oscylatora harmonicznego równanie drugiego rzędu o stałych współczynnikach, jednorodne dt x F wyp porównując i przekształcając wyklad 8 017/018, zima 9 d dt x m kx Po podzieleniu przez d x m, przyjmując, że o mamy x 0 k m dt F o kx 0

Przypomnienie: Równanie oscylatora harmonicznego d dt x m kx 0 wyprowadziliśmy również z zasady zachowania energii mechanicznej wyklad 8 017/018, zima 10

oscylator harmoniczny prosty (bez tłumienia i bez wymuszenia) d x o x dt 0 częstość drgań własnych Częstość drgań własnych zależy wyłącznie od parametrów układu drgającego. Dla układu masa m sprężyna o stałej sprężystości k: k o m Wzór ten pozwala zawsze określić okres drgań T T wyklad 8 017/018, zima 11 o m k

Rozwiązanie równania oscylatora harmonicznego prostego czas t Okres ruchu T = czas, w jakim wykonywane jest jedno pełne drganie T 1 Przedmiot: Fizyka x(t) xm cos( t ) wychylenie z położenia równowagi amplituda faza częstość faza początkowa Amplituda = wartość bezwzględna maksymalnego wychylenia z położenia równowagi częstotliwość = liczba drgań (cykli) na sekundę (jednostka 1Hz) wyklad 8 017/018, zima 1

Prędkość w ruchu harmonicznym dx(t) d v(t) xm cos( t ) dt dt v(t) xmsin( t ) Przyspieszenie dv(t) d a(t) xmsin( t ) dt dt a(t) x m cos( t ) czas t wyklad 8 017/018, zima 13 a W ruchu harmonicznym przyspieszenie jest proporcjonalne do przemieszczenia ale ma przeciwny znak x

Sprawdzenie czy proponowana funkcja x(t) xm cos( t ) jest rozwiązaniem równania ogólnego: d x o x 0 dt Należy podstawić: d x a x dt do równania ogólnego Otrzymujemy: x x 0 o z czego wynika, że Częstość drgań ω prostego oscylatora harmonicznego jest o równa częstości drgań własnych ω o wyklad 8 017/018, zima 14

Siła w ruchu harmonicznym przyspieszenie a x Z II zasady dynamiki: F wyp ma m x ale siła harmoniczna: F kx k m Wiemy, że o k m czyli jeszcze raz: o wyklad 8 017/018, zima 15

wyklad 8 017/018, zima 16 Przedmiot: Fizyka Energia w ruchu harmonicznym energia potencjalna sprężystości energia kinetyczna x k E p ) t ( cos kx 1 E m p v m E k ) t ( sin x m 1 E m k

Całkowita energia w ruchu harmonicznym E E p E k 1 kx m cos ( t ) 1 m x m sin ( t ) ale k m czyli E 1 kx m cos ( t ) sin ( t ) kx const 1 m Całkowita energia mechaniczna prostego oscylatora harmonicznego jest zachowana wyklad 8 017/018, zima 17

Zależność energii oscylatora od wychylenia z położenia równowagi E p E x k E parabola k E p odwrócona parabola wyklad 8 017/018, zima 18 E E k k 1 1 kx m k(x m 1 x kx )

Przy przechodzeniu przez położenie równowagi: prędkość jest największa przyspieszenie wynosi zero siła wynosi zero energia kinetyczna jest największa Przy maksymalnym wychyleniu z położenia równowagi: prędkość wynosi zero i zmienia znak przyspieszenie jest największe siła jest maksymalna energia potencjalna jest największa wyklad 8 017/018, zima 19

PRZYKŁADY OSCYLATORÓW HARMONICZNYCH wyklad 8 017/018, zima 0

Wahadło torsyjne moment kierujący κ zależy od długości, średnicy i materiału z jakiego wykonano drut I d dt równanie ruchu z II zasady dynamiki dla ruchu obrotowego wyklad 8 017/018, zima 1

Wahadło torsyjne I d dt d I dt 0 d dt I 0 d o dt 0 równanie oscylatora harmonicznego wyklad 8 017/018, zima o I

Wahadło torsyjne o I T o I okres drgań wahadła torsyjnego wyklad 8 017/018, zima 3

Wahadło torsyjne służy do wyznaczania momentu bezwładności brył o dowolnych nieregularnych kształtach Przykład. Na rysunku przedstawiono cienki pręt o o długości L=1,4 cm i masie m=135 g zawieszony w środku na długim drucie. Zmierzony okres T a drgań torsyjnych pręta wynosi,53 s. Następnie na tym samym drucie zawieszono ciało X o nieregularnym kształcie i zmierzono okres T b, który wynosi 4,76 s. Wyznaczyć moment bezwładności ciała X względem osi, wokół której zachodzą drgania. Dane: L=1,4 cm=0,14 m m=135 g= 0,135 kg T a =,53 s T b =4,76 s Szukane: I b wyklad 8 017/018, zima 4

Rozwiązanie: Okres drgań wahadła torsyjnego z prętem: T a Ia Okres drgań wahadła torsyjnego z ciałem X: T b Ib Szukany moment bezwładności: T 1 T Ib Ia ml T 1 T b a b a wyklad 8 017/018, zima 5 I b Odpowiedź: 6,1 10 4 kg m

Wahadło matematyczne Ruch powoduje moment siły ciężkości: L(F g sin ) Lmgsin znak minus oznacza, że moment siły powoduje zmniejszenie kąta θ Korzystając z II zasady dynamiki dla ruchu obrotowego: I-moment bezwładności wahadła względem punktu zawieszenia I I d dt wyklad 8 017/018, zima 6

Wahadło matematyczne Zakładamy, że kąt θ jest mały (małe drgania) czyli sin θ θ : Lmg wyklad 8 017/018, zima 7 Równanie oscylatora harmonicznego: Częstość drgań: d I dt o Lmg Lmg I 0

Wahadło matematyczne o Lmg I ale I ml Częstość nie zależy od masy o g L Okres T nie zależy od masy T L g wzór prawdziwy dla małej amplitudy drgań wyklad 8 017/018, zima 8

Wahadłem fizycznym jest każda bryła sztywna w ruchu drgającym Wahadło fizyczne mghsin d dt IO d IO dt mgh sin dla małych kątów θ mgh 0 o mgh I O I śm mgh mh wyklad 8 017/018, zima 9

Wahadło fizyczne Przedmiot: Fizyka Wahadło fizyczne służy do wyznaczania przyspieszenia grawitacyjnego g w różnych miejscach na Ziemi i nie tylko T I mh mgh śm Przykład 3. Przymiar metrowy wykonuje drgania wokół punktu zawieszenia O, znajdującego się na jednym z jego końców, w odległości h od jego środka masy C jak na rysunku. Mierząc okres drgań T, wyznaczyć przyspieszenie g w tym punkcie na Ziemi. Rozwiązanie: T I 1 3 śm mg ml L 1 1 ml g wyklad 8 017/018, zima 30 h 8 L 3 T L

T L 3 g Wahadło fizyczne Każdemu wahadłu fizycznemu, drgającemu wokół danego punktu zawieszenia O z okresem T odpowiada wahadło matematyczne o długości L o drgające z tym samym okresem T. Wielkość L o nazywamy długością zredukowaną wahadła fizycznego. Punkt znajdujący się w odległości L o od punktu zawieszenia O nazywamy środkiem wahań wahadła fizycznego dla danego punktu zawieszenia. Przykład 4. Znaleźć długość zredukowaną wahadła z poprzedniego przykładu i wyznaczyć środek wahań. czyli L o 3 L środek wahań znajduje się w punkcie P wyklad 8 017/018, zima 31

ZADANIE DOMOWE 8.1 Przedmiot: Fizyka Na rysunku przedstawiono pingwina skaczącego do wody z trampoliny mającej postać jednorodnej wąskiej deski, której lewy koniec jest zamocowany na zawiasie, a prawy jest oparty na sprężynie. Deska ma długość L=m i masę m=1 kg; stała sprężystości k wynosi 1300 N/m. Gdy pingwin skacze do wody, deska i sprężyna zaczynają wykonywać drgania o małej amplitudzie. Zakładamy, że deska jest wystarczająco sztywna by się nie uginać. Wyznaczyć okres T drgań. HRW, wyklad 8 017/018, zima 3

-kx V Oscylator harmoniczny tłumiony F o Siła oporu = siła Stokesa stała tłumienia siła wypadkowa F bv o F w z II zasady dynamiki czyli ma bv bv wyklad 8 017/018, zima 33 d dt x m bv kx kx kx

d dt x Przedmiot: Fizyka Równanie ogólne oscylatora harmonicznego tłumionego d x dx m b kx 0 dt dt d x 1 dx dt dt b dx k x 0 ox 0 m dt m b m 1 m b lub wyklad 8 017/018, zima 34 czas relaksacji d x dx ox dt dt współczynnik tłumienia 0

Rozwiązanie równania oscylatora harmonicznego tłumionego d x dx ox 0 dt dt Dla małych wartości współczynnika tłumienia, proponujemy rozwiązanie periodyczne, w którym amplituda oscylacji maleje wykładniczo z czasem x(t) e t z(t) a z(t) jest rozwiązaniem prostego oscylatora harmonicznego wyklad 8 017/018, zima 35

Sprawdzamy, czy funkcja równania x(t) d x dx ox 0 dt dt e t z(t) jest rozwiązaniem Umowa: dx dt e t z(t) e t z(t) z (t) dz dt z(t) d z dt d dt x e t z e t z(t) e t z Użyteczne twierdzenie: fg '' f ''g f 'g' fg' ' z z 0 o ω Jest to równanie oscylatora harmonicznego prostego gdy wtedy z(t) Acos t o wyklad 8 017/018, zima 36

Rozwiązanie równania oscylatora harmonicznego tłumionego x(t) x m bt exp cos m t amplituda zależna od czasu o o b m częstość drgań różna od częstości drgań własnych i zależna od tłumienia tlumiony-.xls wyklad 8 017/018, zima 37

Rozwiązanie równania oscylatora harmonicznego tłumionego w postaci periodycznej x(t) Aexp( t)cos jest możliwe tylko dla małych tłumień, tzn. gdy t o ze względu na warunek o 0 Przypadek o nazywamy krytycznym Dla o mamy rozwiązanie aperiodyczne wyklad 8 017/018, zima 38

A(t) Logarytmiczny dekrement tłumienia x m bt exp m A o bt exp m A o A(t 0) Logarytmiczny dekrement tłumienia Λ jest to logarytm naturalny ze stosunku kolejnych amplitud A(t T) ln A(t) A ln A ln wyklad 8 017/018, zima 39 e n n1 (tt) e t T współczynnik tłumienia b m

ZADANIE DOMOWE 8. Zastanowić się nad interpretacją fizyczną czasu relaksacji. Obliczyć ile razy zmaleje amplituda drgań oscylatora tłumionego w stosunku do amplitudy początkowej w czasie równym czasowi relaksacji. wyklad 8 017/018, zima 40

Straty mocy a współczynnik dobroci Q Współczynnik dobroci Q układu drgającego jest to z definicji iloczyn π i stosunku energii zmagazynowanej do średniej energii traconej w jednym okresie T energia zmagazynowana Q energia tracona w T Dla słabo tłumionego oscylatora harmonicznego Q o Wielkość o lub Q jest odpowiednią miarą braku tłumienia oscylatora. Duże o lub duże Q oznacza, że oscylator jest słabo tłumiony, np. dla struny fortepianu Q 10 3, dla atomu wzbudzonego Q 10 7 wyklad 8 017/018, zima 41

ZADANIE DOMOWE 8.3 W jakim czasie energia oscylatora harmonicznego tłumionego zmniejsza się do e -1 swej wartości początkowej? Ile pełnych drgań wykona w tym czasie oscylator? wyklad 8 017/018, zima 4

Oscylator harmoniczny z wymuszeniem - rezonans Zakładamy periodyczne wymuszenie w postaci siły wymuszającej danej jako: F(t) Fo sin t częstość wymuszenia Równanie oscylatora harmonicznego z tłumieniem i wymuszeniem ma postać: d x m b dt dx dt kx F o sin( t) wyklad 8 017/018, zima 43

Oscylator harmoniczny z wymuszeniem cd. lub po podzieleniu przez masę: d dt x b m dx dt k m x Fo m sin( t) i wprowadzeniu standardowych oznaczeń: d x dt 1 dx dt o x 0 sin( t) W stanie ustalonym drgania oscylatora zachodzą z częstością wymuszenia ω wyklad 8 017/018, zima 44

Oscylator harmoniczny z wymuszeniem cd. Rozwiązaniem równania: d x 1 dx ox 0 sin( t) dt dt jest: x(t) xo( )sin( t ( )) Otrzymujemy drgania niegasnące, jak dla prostego oscylatora harmonicznego, o amplitudzie niezależnej od czasu, ale amplituda x o jest funkcją częstości wymuszenia przesunięcie fazowe nie jest dowolną stałą lecz jest również ściśle określone przez częstość wymuszenia wyklad 8 017/018, zima 45

Przesunięcie fazowe φ(ω) mówi nam, o jaki kąt maksimum przemieszczenia x wyprzedza maksimum siły wymuszającej F. x(t) xo( )sin( t ( )) F(t) Fo sint 1,50 1,00 x φ=-π/ 0,50 Sila 0,00 0,00 1,00,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 Serie1 Serie -0,50-1,00-1,50 wymuszony.xls wyklad 8 017/018, zima 46

Można pokazać, że: amplituda drgań x o / 1 o o przesunięcie fazowe tg / o zależą w określony sposób od częstości drgań wymuszony.xls wyklad 8 017/018, zima 47

Rezonans występuje amplituda osiąga wartość maksymalną co w praktyce oznacza gdy częstość wymuszenia zbliża się do częstości drgań własnych o x o / 1 x o o Położenie maksimum amplitudy wychylenia x o zależy od tłumienia ω/ω o wyklad 8 017/018, zima 48

Przykład 5. Znaleźć warunek rezonansu w przypadku gdy: a) rozważamy maksymalną amplitudę wychylenia x max, b) rozważamy maksymalną amplitudę prędkości v max. Rozwiązanie: dx o d a) d d? x o / 1 o rez o wyklad 8 017/018, zima 49 o Wystarczy znaleźć minimum mianownika d d f ( rez ) f ( ) f ( ) 0 o / ( ) o / dla 1

rez o 1 Częstość rezonansu w przypadku (a) zależy od współczynnika tłumienia Gdy tzn. przy braku tłumienia: rez o Amplituda drgań x o o ( rez ) 1 / o 0 wyklad 8 017/018, zima 50

b) amplituda prędkości x(t) xo( )sin( t ( )) d v(t) x(t) xo( )cos( t ( )) dt v max x o ( ) v max / 1 o o dv max d? wyklad 8 017/018, zima 51

ZADANIE DOMOWE 8.4 dv max d Znaleźć Pokazać, że częstość, przy której występuje maksimum amplitudy prędkości jest równa częstości drgań własnych, niezależnie od tłumienia. wyklad 8 017/018, zima 5

Kiedy obserwujemy rezonans tego typu? Przedmiot: Fizyka Najczęściej w obwodach LRC, mierząc natężenie w obwodzie. Oscylator mechaniczny Obwód LRC wychylenie z położenia równowagi, x ładunek elektryczny, q prędkość v=dx/dt natężenie prądu i=dq/dt masa, m indukcyjność, L stała sprężystości, k odwrotność pojemności, 1/C stała tłumienia, b rezystancja, R siła, F napięcie, U wyklad 8 017/018, zima 53

Krzywa rezonansowa dla amplitudy prędkości Położenie maksimum krzywej rezonansowej dla amplitudy natężenia prądu i o nie zależy od tłumienia (oporu) R wyklad 8 017/018, zima 54

Składanie drgań harmonicznych zachodzących w tym samym kierunku x 1 (t)=a 1 cos(ω 1 t+φ 1 ) x (t)=a cos(ω t+φ ) x w (t)=x 1 (t)+x (t) zachodzących w kierunkach wzajemnie prostopadłych x(t)=a x cos(ω x t+φ x ) y(t)=a y cos(ω y t+φ y ) krzywa y(x) wyklad 8 017/018, zima 55

Wygaszanie i wzmacnianie drgań zachodzących w jednym kierunku Załóżmy: (t) Acos( t) (t) Acos( t ) x 1 x drgania o tej samej amplitudzie A zachodzą z tą samą częstością ω, lecz mogą być przesunięte w fazie o φ W wyniku złożenia otrzymujemy: x wyp x1(t) x(t) Acos cos( t ) drgania o amplitudzie zależnej od φ wyklad 8 017/018, zima 56

x wyp x1(t) x(t) Acos cos( t ) dla φ=π, x wyp =0 całkowite wygaszenie drgań dla φ=π, x wyp = A cos (ωt) dwukrotny wzrost amplitudy drgań - wzmocnienie wyklad 8 017/018, zima 57

Dudnienia Nakładanie się drgań o bardzo zbliżonych częstościach (t) y 1 y (t) A sin( A sin( )t )t y y1 y A sin( Korzystając ze wzoru trygonometrycznego: sin( ) sin cos cos )t sin sin( ) t Otrzymujemy: y A cos( t)sin t drgania o modulowanej amplitudzie wyklad 8 017/018, zima 58

Składanie drgań harmonicznych w kierunkach wzajemnie prostopadłych Krzywe Lissajous Jules Antoine Lissajous (18-1880) po raz pierwszy zademonstrował krzywe w roku 1857 Przykład 6. Znaleźć wynik złożenia drgań prostopadłych opisanych równaniami: x(t) A x sin t y(t) A y sin( t ) gdy: φ=0, φ=90 o, φ=180 o liss-prez.xls wyklad 8 017/018, zima 59

y(t) Elipsa jest wynikiem złożenia drgań: A y(t) y x(t) A x sin t A y sin( t x(t) A x sin t sin( t ) A y ) Rozwiązanie analityczne: cos( t) x (t) sin A x t y (t) x (t) y (t) cos t 1 A A A y x y równanie elipsy wyklad 8 017/018, zima 60

PODSUMOWANIE Oscylator harmoniczny: małe drgania (mała amplituda drgań) oraz małe tłumienia Energia jest zachowana jeśli nie ma tłumienia Tłumienie powoduje spadek amplitudy w funkcji czasu i straty energii Oscylator wymuszony charakteryzuje się amplitudą zależną od częstości wymuszenia i może wykazywać rezonansowy wzrost amplitudy wyklad 8 017/018, zima 61