基础的方程:

kx=md2xdt2
d2xdt2+km:=ω2x=0
d2xdt2=ω2x
x=Asin/cos(ωt+φ)
x=Aei(ωt+φ)

简谐振动运动学

振动是一种普遍存在的运动形式

  1. 物体的来回 往复运动(弹簧振子、单摆等)Vibration, Oscillation.

  2. 电流、电压的周期性变化

任一物理量(如位移、电流等)在某一数值附近反复变化----振动。

机械振动: 物体在一定位置附近作来回往复的运动

可以证明: 任何复杂的振动都可以认为是由若干个简单而又基本的振动的合成。这种简单而又基本的振动形式称为简谐振动。

简谐振动的运动规律

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简谐振动:凡质点的运动遵从余弦(或正弦)规律时,其运动形式为简谐振动。

x=Acos(ωt+φ)
  1. 振幅 A Amplitude.

  2. 周期 T 完成一次全振动所经历的时间。

  3. 频率 ν:单位时间内完成全振动的次数。

  4. 角频率 ω

  5. 相位 Φ=(ωt+φ) 位置和速度仅仅由相位决定 x=AcosΦ(t),v=ωAsinΦ(t)φ:振动的初相位。

    求出 φ,Φ

    φ=arctan(v0ωx0)Φ=arctan(vωx)

相位差 对于两同频率的谐振动 Δφ=φ2φ1 初相差。明确 φ2φ1ππ 之间。

同相和反相 Δφ=±2kπ 同相,Δφ=±(2k+1)π 反相。

超前和落后0<φ2φ1<π 则称 x2 超前与 x1.

这里 φ2=0,φ1=π/2,因此 x2 超前于 x1

速度和加速度

x=Acos(ωt+φ)v=ωAsin(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ+π2)a=ω2Acos(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ±π)
  1. vm=ωA 称为速度幅,速度相位比位移超前 π/2

  2. am=ω2A 称为加速度幅,和位移反相。

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旋转振幅矢量法

简谐振动动力学

简写振动的动力学方程

受到线性恢复力 F=kx,物体具有惯性。

d2xdt2+kmx=0d2xdt2+ω2x=0

完全的积分法:

d2xdt2=dvdt=vdvdx=ω2x

解为:

x=Acos(ωt+φ)

由初始条件 (x0,v0)

A=x02+v02ω2φ=arctan(v0ωx0)

怎么推的?

x0=Acos(ωt+φ)|t=0=Acosφv0=ωAsin(ωt+φ)|t=0=ωAsinφ

因此

x02+v02ω2=A2(sin2φ+cos2φ)=A2
A=x02+v02ω2φ=arctan(v0ωx0)

如果存在常力 F 比如说重力或者电场力,位移振子。

md2xdt2=kx+F
md2dt2(xFk)=k(xFk)

X=xx0,x0=F/k,得到

d2Xdt2+kmX=0

满足 x=Acos(ωt+φ),也可以是受迫振动。

微振动的简谐近似

单摆在小角摆动

以角度增加的方向为正方向。那么重力分力:f=mgsinθ

由于 θ 很小,sinθθ,而且走过的弧长 s=lθ,那么

f=mgls=ks

得到是简谐振动的形式,因此

ω=km=gl

周期

T=2πlg

复摆的小角摆动

定轴转动问题,固定 O 点,对应 z 轴。以角度增加的方向为正方向。

Mz=Jd2θdt2
Mz=mgrcsinθmgrcθ

因此

d2θdt2+ω2θ=0
ω=mgrc/J

如果复摆就是一个质点,得到 J=mrc2,代入,得到 ω=g/l

设水平方向 C 投影离原点距离为 x,则 θx/rc,得到

Ep(x)=mgrc(1cosθ)mgrcθ22=mgx22rc=12kx2

为什么能够近似简谐振动?

在最低点 x 处泰勒展开。

Ep(x)Ep(0)+dEpdx=0x+12d2Epdx2x2

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对于板子,分析横向运动,需要分析摩擦力,因此需要分析支持力。选两个圆柱的中点为原点。

首先,受力平衡,得到 N1+N2=mg,其次不能发生转动,力矩平衡

N1(l+x)=N2(lx)

得到

N1=lx2lmgN2=l+x2lmg
f1f2=maa=μm(N1N2)=xlμg

得到

T=2πlμg

如何判别简谐振动?

动力学方程形式:x¨+ω2x=0 动力学方程形式。F=kx+F0 线性回复力。E=12kx2+12Mv2 能量的形式。

简谐振动的能量

动能 Ek=12mv2=12kAsin2(ωt+φ)

势能 Ep=12kx2=12kA2cos2(ωt+φ)

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平行简谐振动的合成 振动频谱

同方向同频率简谐振动的合成

某一质点同时参与两个独立的、同方向、同频率的简谐振动。

x1=A1cos(ωt+φ1)x2=A2cos(ωt+φ2)x1+x2=?

同方向不同频率两谐振动的合成 拍

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振动的频谱分析

周期性振动可分解为一系列频率分立的简谐振动。

周期振动频率 ν0,各分振动的频率为 ν0,2ν0,3ν0.

垂直简谐振动的合成

同频率垂直简谐振动的合成

x=A1cos(ωt+φ1)y=A2cos(ωt+φ2)

形成椭圆。

不同频率垂直简谐振动的合成

形成李萨如图形。

阻尼振动

受到和速度成正比的阻力 fr=γv.

运动方程:

kxγx˙=mx¨

ω02=km,2δ=γm. 其中 δ 称为阻尼因子。当阻尼较小,即 δ<ω0 时,特征方程的解为复数 λ=δ±ω02δ2i,因此

x=A0eδtcos(ωt+φ0)ω=ω02δ2T=2πω02δ2>T0=2πω0

速度随时间关系 v=v0e2δt. 振幅随时间关系 A=A0e2δt.

总路程 S=4i=0Ai=4A0i=0eiβT=4A01eβT.

习题