Гармоническое колебание (пример формулы)

Гармоническое колебание это простейшее периодическое колебание, при котором смещение х меняется со временем по закону синуса (или косинуса).

Что такое гармоническое колебание

Это периодически повторяющееся движение, при котором тело отклоняется от некоторого среднего положения то в одну, то в другую сторону, называется колебательным движением; этот вид движения весьма распространен в природе.

Оно свойственно частицам вещества: атомам и молекулам, с колебательным движением частиц среды связаны звуковые явления, оно лежит в основе многих электрических явлении, например переменного тока, электрических колебаний, электромагнитных волн и т. п.

Изучение колебательного движения начнем с наиболее простого случая — механических колебаний. При этом обратим главное внимание на колебательное движение таких тел, которые имеют только одно положение устойчивого равновесия.

Если такое тело выведено из положения равновесия внешней силой, то оно под действием внутренних сил возвращается в него постепенно путем многократных колебаний около этого положения.

Такое колебательное движение могут совершать, например ножки камертона, натянутая струна, любое свободно подвешенное тело (качели, маятник) и т. п.

При колебательном движении положение тела в каждый данный момент времени определяется расстоянием его от среднего положения, которое называется смещением, а также направлением движения.

Весьма распространенным видом колебательного движения является простое, или гармоническое, колебание.

Оно происходит под действием силы, прямо пропорциональной смещению и направленной к положению равновесия.

Характерным признаком гармонического колебания является изменение смещения во времени по закону синуса или косинуса.

Пример гармонического колебания

В качестве примера рассмотрим свободное колебание горизонтального пружинного маятника (рис. 2, а).

Маятник состоит из тела С, подвешенного к стойке АВ, с помощью тяги АС и упорного стержня ВС, которые могут свободно поворачиваться вокруг оси стойки.

Такая подвеска полностью уравновешивает силу тяжести тела С при любом его положении. 

С обеих сторон к телу С прикреплены пружины F, закрепленные в неподвижной раме Е. При отклонении тела С от среднего положения одна из пружин растягивается. Сила F, с которой пружина действует на тело, прямо пропорциональна его смещению s и направлена в сторону, обратную смещению:

F = — ks,

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств пружины, а знак минус указывает, что действие силы обратно направлению смещения.

Если отклонить тело С из среднего положения и затем представить действию упругих сил пружин, то оно будет совершать колебательное движение: возвратившись под действием силы пружин к среднему положению, тело по инерции пройдет его и отклонится в противоположную сторону; достигнув максимального отклонения, тело под действием силы пружин снова возвратится в исходное сложение, по инерции пройдет его в обратном направлении и т. д.

Как характеризуются колебательные движения

Колебательное движение, в том числе и гармоническое колебание, характеризуются:

1. Наибольшим смещением или амплитудой колебания
2. Периодом колебания или временем, в течение которого совершается одно полное колебание.

Период колебания Т измеряется в секундах. Вместо периода колебание можно характеризовать частотой v. Частота колебаний— это величина, обратная периоду v = 1/Т.

Иначе, частота — это число колебаний, которое тело совершает в течение 1 сек. Размерность частоты 1/сек или сек^-1. Практически частота измеряется в единицах, называемых герц (гц).

Герц — это частота, при которой за 1 сек происходит одно полное колебание. В герцах измеряют частоту колебаний любой природы.

Изучение колебаний

Гармоническое колебание удобно изучать, например, с помощью модели. На горизонтальном диске А, который вращается с постоянной скоростью, укреплен на стержне маленький шарик N.

Шарик совершает равномерное движение по окружности. Рассмотрим движение, которое совершает точка п, являющаяся проекцией шарика N на любой из диаметров окружности.

В качестве проекции шарика на диаметр окружности можно рассматривать его тень, отбрасываемую на экран Э, установленный рядом с диском перпендикулярно направлению световых лучей. При вращении диска тень шарика на экране будет совершать колебательное движение.

Составим уравнение для этого движения, которое связывает между собой смещение s, амплитуду а и период Т (или частоту v) колебания и таким образом позволяет определить величину и знак смещения в любой заданный момент времени.

Рассмотрим положение точек N и п в какой-либо момент времени t (рис. 3). Соединим точку N с центром окружности. Радиус ON совершает вращательное движение с угловой скоростью:

ω = 2π/Т ,

где Т — есть период обращения. За начало отсчета времени t = 0 примем момент, когда точка N находится на горизонтальном диаметре, а точка п соответственно — в центре окружности. Тогда угол φ, пройденный радиусом ON за время t, будет:

φ = ωt = 2πt/Т

Из треугольника ONn (угол при вершине которого равен углу φ как угол имеющий параллельные стороны) следует, что On = ON sin φ, где On — смещение s точки п в момент времени t, ON—радиус окружности или амплитуда а колебания. Подставляя эти значения, получим:

s = a sin φ = a sin ωt.

Смещение изменяется от времени по закону синуса, следовательно, точка п совершает гармоническое колебание. Уравнению можно придать также и несколько иной вид:

s = a sin(2πt/Т) = a sin 2πvt

Величина, находящаяся под знаком синуса, т. е.

φ = ωt = 2πvt = 2πt/Т

называется фазой колебания и измеряется в градусах или радианах. Величину ω = 2πv = 2πt/Т входящую в выражение для фазы колебания, называют круговой частотой гармонического колебания.

Что такое фаза колебания

Фаза колебания есть величина, характеризующая состояние колебательного процесса в каждый заданный момент времени.

Зная фазу колебания и его амплитуду, можно для любого момента времени определить величину и знак смещения, т. е. определить положение колеблющегося тела.

Имея в виду, что определенным частям периода соответствуют определенные величины фазы колебания, можно, зная эти величины и найдя соответствующие им синусы углов, определить величину смещения в долях амплитуды а.

Можно построить график, соответствующий уравнению гармонического колебания. График показывает изменение смещения s тела (откладывается по оси ординат) от времени t, которое отложено по оси абсцисс.

По форме график является синусоидой (рис. 4) и может быть построен, пользуясь данными таблицы.

График колебания

График колебания можно получить также и путем непосредственной записи движения тела на равномерно движущейся бумажной ленте.

Например, к телу С нашего горизонтального маятника можно прикрепить воронку с мелким песком, а под ним расположить лист смазанной клеем белой бумаги, который равномерно передвигается в направлении, перпендикулярном направлению колебаний (см. рис. 2, а). 

Тогда песочная струйка запишет на бумаге кривую (см. рис. 2, б), ординаты которой соответствуют смещениям маятника в различные последующие моменты времени.

Полученная таким образом кривая совпадает по характеру с графиком (рис. 4). В обоих случаях кривые изображают колебание, развернутое по времени: каждая точка кривой является концом ординаты, изображающей смещение тела в последующие, равномерно расположенные по горизонтальной оси моменты времени.

В первом случае это получается в результате движения ленты, во втором — это обеспечивается в самом процессе построения графика.

Амплитуда гармонических колебаний

Энергия Е тела, совершающего гармоническое колебание, состоит из кинетической и потенциальной, которые в процессе колебания периодически переходят одна в другую.

В момент наибольшего смещения скорость тела на мгновение делается равной нулю и вся энергия тела является потенциальной:

Е=Е_П.

По мере движения тела к положению равновесия скорость его увеличивается и потенциальная энергия постепенно переходит в кинетическую.

При прохождении телом положения равновесия скорость его максимальна и вся энергия переходит в кинетическую: 

Е=Е_К.

Определим эту энергию. рассмотренной модели гармонического колебания (см. рис. 2) наибольшая скорость υ_m точки п при прохождении среднего положения равняется скорости υ движения точки N по окружности, так как в этот момент скорости этих точек параллельны и одинаковы по величине.

Эта скорость υ_m = 2πа/Т, где а — амплитуда колебания или радиус окружности, а Т — период колебания. Поэтому для энергии Е тела с массой т, совершающего гармоническое колебание, можно написать следующее выражение:

Е =Е_к = (mυ²m)/2

Подставляя значение скорости υ_m, получаем:

Е = (mυ²m)/2 = m/2((2πa/T)²) = 2π²ma²v²

Энергия тела, совершающего гармоническое колебание, прямо пропорциональна массе тела, квадрату амплитуды и квадрату частоты.

Пример амплитуды гармонических колебаний

Рассмотрим колебание тела, которое началось на промежуток времени t₀ раньше момента начала отсчета времени (обычно время t₀ выражают в долях периода Т колебания).

В этом случае к началу отсчета времени тело уже имеет смещение s₀, как это показано на графике рис. 5, а. Смещению s₀ соответствует фаза колебания φ₀, которая называется начальной фазой, и по общему правилу может быть представлена так:

φ₀ = ωt0 = (2πt₀)/T = 2πvt₀

Составим уравнение для данного колебания. Угол φ‘, определяющий положение радиуса точки N в момент времени t, будет φ‘=φ + φ₀. где φ₀—угол, соответствующий начальной фазе колебания (величина постоянная), а φ — угол, образуемый при движении точки N и прямо пропорциональный промежутку времени t: φ=ωt.

Тогда, рассуждая аналогично предыдущему случаю (см. рис 3), можно написать:

s = a sin (ωt + φ₀) = a sin (2π/T) ((t+ t₀)) = a sin 2πv (t+ t₀).

График колебания, описываемый этим уравнением, изображен на рис. 5, а.

Рассуждая аналогично, можно убедиться, что если колебание началось на промежуток времени t₀ позже начала отсчета времени, то его уравнение будет иметь вид:

s = a sin (ωt — φ₀) = a sin (2π/T) ((t — t₀)) = a sin 2πv (t — t₀).

Его график изображен на рис. 5, б.

Если два колебания одинаковой частоты начинаются одновременно, то говорят, что они имеют одинаковую фазу или что они находятся в фазе.

Если сопоставляются два колебания одинаковой частоты, начавшиеся не одновременно, то говорят, что они имеют разность фаз или сдвиг фазы φ_1-2, соответствующий разнице во времени t_1-2 между началами колебания (рис. 5, в).

При этом одно из них называют опережающим (или наоборот, запаздывающим) по фазе относительно другого.

Про два колебания, разность фаз у которых составляет π или 180°, говорят, что они находятся в противофазе.

Связь между гармоническим колебанием и равномерным движением по окружности

Представим себе произвольную точку D, равномерно вращающуюся по окружности радиуса А против часовой стрелки с постоянной угловой скоростью ω рад/с (рис. ). Уравнение движения точки D примет вид

φ = φ₀ + ωt,

где φ — угол поворота подвижного радиуса 0D относительно неподвижного OK, а φ₀— начальное значение угла φ в момент времени t = 0.

В то время как точка D вращается по окружности от К к L и снова к K, проекция точки D на диаметр MN — точка D’ — движется вдоль отрезка МN от одного из его концов к другому и обратно, совершая колебательное движение.

Обозначим расстояние 0D’ через х. Тогда уравнение движения точки D’можно записать в виде

х = A sin φ = A sin (ωt + φ₀).

Если в момент времени t = 0 начальное значение угла φ₀ = 0, то уравнение движения точки D’ примет вид

х = A sin φ = A sin ωt.

Функция sin ωt является простейшей периодической функцией от времени, значит точка D’ совершает периодические колебания.

Если на оси ординат откладывать значения смещения х, а на оси абсцисс время t, то можно получить график гармонического колебания, который представляет собой синусоиду.

Поскольку sin φ меняется в пределах от +1 до —1, то смещение х точки D’ от центра колебаний 0 находится в пределах:

—A≤x≤A.

Максимальная величина этого смещения |х|макс = A называется амплитудой колебания.

Затухающие и незатухающие колебания

Колебания, происходящие с неизменной амплитудой, называются незатухающими. Колебания, происходящие с уменьшающейся амплитудой, называются затухающими.

Чтобы поддерживать незатухающие колебания, необходимо создать такой механизм, который за одно полное колебание точки сообщит ей дополнительно столько энергии, сколько потеряно точкой за это же время на преодоление трения, сопротивления и т. п.

Аргумент ωt стоящий под знаком синуса, называется фазой колебания. Величина со, характеризующая угловую скорость вращения точки D, называется циклической частотой гармонического колебания точки D’.

Время, в течение которого тело совершает одно полное колебание (время между двумя последовательными прохождениями точки через положение равновесия в одном и том же направлении), называется периодом полного колебания Т.

Время движения колеблющегося тела от положения равновесия до максимального отклонения и обратно до положения равновесия называется периодом простого колебания. Период простого колебания равен половине периода полного колебания.

Циклическая частота со связана с периодом Т и обычной частотой v (v — число колебаний за единицу времени) такими соотношениями

ω = 2π/Т

но 

v = 1/Т,

тогда

ω = 2πv.

Частота v измеряется в герцах. 1 Гц равен 1 колебанию в секунду. Фазу колебания φ можно записать в виде

φ = ωt = (2π/T)t.

Фаза показывает, какая часть периода прошла от момента начала колебания.

Статья на тему Гармоническое колебание