Физика Лекции и примеры Механические и электромагнитные колебания Амплитуда и фаза вынужденных колебаний Переменный ток Резонанс напряжений Мощность, выделяемая в цепи переменного тока Упругие волны Волновые процессы

Физика Лекции и примеры решения задач контрольной работы

Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс

Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты w. Механические и электромагнитные колебания будем рассматривать одновременно, называя колеблющуюся величину либо смещением (х) колеблющегося тела из положения равновесия, либо зарядом (Q) конденсатора.

Из формулы (147.8) следует, что амплитуда А смещения (заряда) имеет максимум. Чтобы определить резонансную частоту wрез, — частоту, при которой амплитуда А смещения (заряда) достигает максимума, — нужно найти максимум функции (147.8), или, что то же самое, минимум подкоренного выражения. Продифференцировав подкоренное выражение по w и приравняв его нулю, получим условие, определяющее wрез :

Это равенство выполняется при w=0, ±, у которых только лишь положительное значение имеет физический смысл. Следовательно, резонансная частота

  (148.1) Кинематика движение тела Лекции по физике

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы (частоты вынуждающего переменного напряжения) к частоте, равной или близкой собственной частоте колебательной системы, называется резонансом (соответственно механическим или электрическим). При  значение wрез практически совпадает с собственной частотой w0 колебательной системы. Подставляя (148.1) в формулу (147.8), получим

  (148.2)

На рис. 210 приведены зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты при различных значениях d. Из (148.1) и (148.2) вытекает, что чем меньше d, тем выше и правее лежит максимум данной кривой. Если w® 0, то все кривые (см. также (147.8)) достигают одного в того же, отличного от нуля, предельного значения , которое называют статическим отклонением. В случае механических колебаний , в случае электромагнитных – Um/(L). Если w®¥, то вое кривые асимптотически стремятся к нулю. Приведенная совокупность кривых называется резонансными кривыми.

Из формулы (148.2) вытекает, что при малом затухании () резонансная амплитуда смещения (заряда)

где Q — добротность колебательной системы (см. (146.8)), — рассмотренное выше статическое отклонение. Отсюда следует, что добротность Q характеризует резонансные свойства колебательной системы: чем больше Q, тем больше Арез.

На рис. 211 представлены резонансные кривые для амплитуды скорости (тока). Амплитуда скорости (тока)

максимальна при wрез=w0 и равна , т. е. чем больше коэффициент затухания d, тем ниже максимум резонансной кривой. Используя формулы (142.2), (146.10) и (143.4), (146.11), получим, что амплитуда скорости при механическом резонансе равна

а амплитуда тока при электрическом резонансе

Из выражения tgj =  (см. (147.9)) следует, что если затухание в системе отсутствует (d=0), то только в этом случае колебания и вынуждающая сила (приложенное переменное напряжение) имеют одинаковые фазы; во всех других случаях j ¹0.

Зависимость j от w при разных коэффициентах d графически представлена на рис. 212, из которого следует, что при изменении w изменяется и сдвиг фаз j. Из формулы (147.9) вытекает, что при w=0 j=0, а при w=w0 независимо от значения коэффициента затухания j = p/2, т. е. сила (напряжение) опережает по фазе колебания на p/2. При дальнейшем увеличении w сдвиг фаз возрастает и при w>>w0 j ® p, т. е. фаза колебаний почти противоположна фазе внешней силы (переменного напряжения). Семейство кривых, изображенных на рис. 212, называется фазовыми резонансными кривыми.

Явления резонанса могут быть как вредными, так и полезными. Например, при конструировании машин и различного рода сооружений необходимо, чтобы собственная частота колебаний их не совпадала с частотой возможных внешних воздействий, в противном случае возникнут вибрации, которые могут вызвать серьезные разрушения. С другой стороны, наличие резонанса позволяет обнаружить даже очень слабые колебания, если их частота совпадает с частотой собственных колебаний прибора. Так, радиотехника, прикладная акустика, электротехника используют явление резонанса.

105. Велосипедист ехал из одного пункта в другой. Первую треть пути он проехал со скоростью V1=18 км/ч. Далее половину оставшегося времени он ехал со скоростью V2=22км/ч, после чего до конечного пункта он шел пеш­ком со скоростью V3 = 5 км/ч. Определить среднюю ско­рость <V> велосипедиста.

S1=S/3

t2=t3

V1= 18км/ч=5м/с

V2=22км/ч=6.11м/с

V3=5км/ч=1.39м/с

S1=S2+S3

Средняя скорость равна по определению отношению пройденного пути к затраченному времени: .

Известно, S3=V3×t3, S2=V2×t2, а S1=V1×t1. Где времена t2=t3. Поэтому .

Расстояние S1=S/3. Откуда .

Кроме того .

Тогда искомая величина равна =

Подставляем числа.

.


Элементы физики твердого тела