Свободные колебания всегда затухают из-за потерь энергии (трение, сопротивление среды, сопротивление проводников электрического тока и т. п.). Между тем и в технике и в физических опытах крайне нужны незатухающие колебания, периодичность которых сохраняется все время, пока система вообще колеблется. Как получают такие колебания? Мы знаем, что вынужденные колебания, при которых потери энергии восполняются работой периодической внешней силы, являются незатухающими. Но откуда взять внешнюю периодическую силу? Ведь она в свою очередь требует источника каких-то незатухающих колебаний.

Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Такие устройства называются автоколебательными системами.

На рис. 55 изображен пример электромеханического устройства такого рода. Груз висит на пружине, нижний конец которой погружается при колебаниях этого пружинного маятника в чашечку со ртутью. Один полюс батареи присоединен к пружине наверху, а другой - к чашечке со ртутью. При опускании груза электрическая цепь замыкается и по пружине проходит ток. Витки пружины благодаря магнитному полю тока начинают при этом притягиваться друг к другу, пружина сжимается, и груз получает толчок кверху. Тогда контакт разрывается, витки перестают стягиваться, груз опять опускается вниз, и весь процесс повторяется снова.

Таким образом, колебание пружинного маятника, которое само по себе затухало бы, поддерживается периодическими толчками, обусловленными самим колебанием маятника. При каждом толчке батарея отдает порцию энергии, часть которой идет на подъем груза. Система сама управляет действующей на нее силой и регулирует поступление энергии из источника - батареи. Колебания не затухают именно потому, что за каждый период от батареи отбирается как раз столько энергии, сколько расходуется за то же время на трение и другие потери. Что же касается периода этих незатухающих колебаний, то он практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, т. е. определяется жесткостью пружины и массой груза.

Рис. 55. Автоколебания груза на пружине

Подобным же образом возникают незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что в нем периодические толчки создаются отдельным электромагнитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке. Аналогичным путем можно получить автоколебания со звуковыми частотами, например возбудить незатухающие колебания камертона (рис. 56). Когда ножки камертона расходятся, замыкается контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток, и электромагнит стягивает ножки камертона. Контакт при этом размыкается, и далее следует повторение всего цикла.

Рис. 56. Автоколебания камертона

Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь не при расхождении, а при сближении ножек, т. е. момент включения электромагнита передвинут на полпериода по сравнению с предыдущим опытом. Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат непрерывно включенным электромагнитом, т. е. колебания вообще не возникнут.

Электромеханические автоколебательные системы применяются в технике очень широко, но не менее распространенными и важными являются и чисто механические автоколебательные устройства. Достаточно указать на любой часовой механизм. Незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживаются за счет потенциальной энергии поднятой гири или за счет упругой энергии заведенной пружины.

Рисунок 57 иллюстрирует принцип действия маятниковых часов Галилея - Гюйгенса (§ 11). На этом рисунке изображен так называемый анкерный ход. Колесо с косыми зубьями 1 (ходовое колесо) жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2. К маятнику 3 приделана перекладина 4 (анкер), на концах которой укреплены палетты 5 - пластинки, изогнутые по окружности с центром на оси маятника 6. Анкер не позволяет ходовому колесу свободно вращаться, а дает ему возможность провернуться только на один зуб за каждые полпериода маятника. Но и ходовое колесо действует при этом на маятник, а именно, пока зуб ходового колеса соприкасается с изогнутой поверхностью левой или правой палетты, маятник не получает толчка и только слегка тормозится из-за трения. Но в те моменты, когда зуб ходового колеса «чиркает» по торцу палетты, маятник получает толчок в направлении своего движения. Таким образом, маятник совершает незатухающие колебания, потому что он сам в определенных своих положениях дает возможность ходовому колесу подтолкнуть себя в нужном направлении. Эти толчки и восполняют расход энергии на трение. Период колебаний и в этом случае почти совпадает с периодом собственных колебаний маятника, т. е. зависит от его длины.

Рис. 57. Схема часового механизма

Автоколебаниями являются также колебания струны под действием смычка (в отличие от свободных колебаний струны у рояля, арфы, гитары и других несмычковых струнных инструментов, возбуждаемых однократным толчком или рывком); автоколебаниями являются звучание духовых музыкальных инструментов, движение поршня паровой машины и многие другие периодические процессы.

Характерная черта автоколебаний состоит в том, что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальным отклонением или толчком, как у свободных колебаний. Если, например, маятник часов отклонить слишком сильно, то потери на трение будут больше, чем поступление энергии от заводного механизма, и амплитуда будет уменьшаться. Наоборот, если уменьшить амплитуду, то избыток энергии, сообщаемой маятнику ходовым колесом, заставит амплитуду возрасти. Автоматически установится именно такая амплитуда, при которой расход и поступление энергии сбалансированы.

Гармонические колебания.

Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Колебательное движение и вызываемые им волны очень часто встречаются в природе и технике. Колеблются мосты под действием проходящих по ним поездов, совершает колебания барабанная перепонка уха, вибрируют части зданий, ритмично сокращается сердечная мышца.

Взависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные и др.. Мы рассмотрим механические колебания.

Рассмотрим простейшую механическую систему, состоящую из тела (шар) некоторой массы m, нанизанного на стержень, и пружины с жёсткостью k, соединяющей его с неподвижной стеной. Направим ось OX вдоль стержня, а начало координат совместим с центром шара, при условии, что пружина находится в недеформированном состоянии. Сместим шар на расстояние X 0 от положения равновесия (см. рис.1). Тогда со стороны пружины на тело будет действовать упругая сила F=-kX 0 (1). Эта сила, как видно из уравнения (1), пропорциональна смещению и направлена в сторону противоположную смещению. Её называют возвращающей силой. Кроме того, система будет обладать запасом потенциальной энергии
. Если отпустить груз, то под действием упругой силы он станет двигаться к положению равновесия, при этом его потенциальная энергия будет уменьшаться, переходя в кинетическую
, возвращающая сила будет убывать и в положении равновесия станет равной нулю, но тело в положении равновесия не остановиться, а по инерции будет продолжать движение. Его кинетическая энергия будет переходить в потенциальную, возвращающая сила станет расти, но её направление изменится на противоположное. В системе возникнут колебания. При колебательном движении положение тела в каждый данный момент времени характеризуется расстоянием от положения равновесия, которое называется смещением. Среди различных видов колебаний наиболее простой формой является гармоническое колебание, т.е. такое, при котором колеблющаяся величина изменяется в зависимости от времени по закону синуса или косинуса.

1. Незатухающие гармонические колебания.

Пусть на тело массой m действует сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия (возвращающая сила) и пропорциональная смещению от положения равновесия, т.е. сила упругости F УПР = -kX . Если трение отсутствует, тогда уравнение второго закона Ньютона для тела имеет вид:

;
или
.

Обозначим
, получим
. (1)

Уравнение (1) является линейным однородным дифференциальным уравнением 2-го порядка, с постоянными коэффициентами. Решение уравнения (1) будет законом свободных или собственных незатухающих колебаний:

,

где A – величина наибольшего отклонения от положения равновесия, которая называется амплитудой (амплитуда – постоянная, положительная величина);
- фаза колебаний;- начальная фаза.

Графически незатухающие колебания представлены на рис.2:

Т – период колебания (промежуток времени одного полного колебания);
, где - круговая или циклическая частота,
, ν называется частотой колебания.

Чтобы найти скорость материальной точки при гармоническом колебании, нужно взять производную от выражения для смещения:

где
- максимальная скорость (амплитуда скорости). Продифференцировав это выражение, найдём ускорение:

где
- максимальное ускорение.

1. Затухающие гармонические колебания.

В реальных условиях, кроме возвращающей силы в колеблющейся системе будет действовать сила трения (сила сопротивления среды), которая при небольших скоростях пропорциональна скорости движения тела:
, гдеr – коэффициент сопротивления. Если ограничиться учётом возвращающей силы и силы трения, то уравнение движения примет вид:
или
, разделив наm, получим:
, обозначив
,
, получим:
. Это уравнение носит название линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами. Решение этого уравнения будет законом свободных затухающих колебаний, и будет иметь следующий вид: .

Из уравнения видно, что амплитуда
не является постоянной, а зависит от времени и убывает по экспоненциальному закону. Как и для незатухающих колебаний, величина ω – называется круговой частотой:
, где
- коэффициент затухания;

-начальная фаза.

Графически затухающие колебания представлены на рис.3.

Определим период колебаний
или
, откуда видно, что колебания в системе могут возникать только при условии если сопротивление незначительно
. Период колебаний практически равен
.

С ростом коэффициента затухания, период колебаний увеличивается и при
обращается в бесконечность. Движение перестаёт быть периодическим. Выведенная из положения равновесия система возвращается в состояние равновесия, не совершая колебаний. Такое движение называется апериодическим.

На рис.4 показан один из случаев возвращения системы в положение равновесия при апериодическом движении. В соответствии с указанной кривой спадает заряд на мембранах нервных волокон человека.

Для характеристики скорости затухания колебаний вводится понятие коэффициента затухания
. Найдём время τ, за которое амплитуда колебаний уменьшится вe раз:

, т.е.

откуда βτ=1, следовательно . Коэффициент затухания обратен по величине тому промежутку времени, за который амплитуда уменьшится вe раз. Отношение значений амплитуд, соответствующих моментам времени, отличающихся на период, равное
называют декрементом затухания, а его логарифм – логарифмическим декрементом затухания:

.

Во второй главе показано, что вектор горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли может быть использован для получения навигационной информации.

Во-первых, данный вектор горизонтален, находится в плоскости меридиана и является касательным к нему. Очевидно, что определение направления этого вектора дает возможность найти плоскость меридиана. Данную задачу и решают гирокомпасы.

Во-вторых, измерение модуля вектора ω 1 позволяет определить широту места. Такое определение выполняют некоторые типы инерциальных навигационных систем. В них измеряется величина ω 1 = Ω 1 (Ω 1 - приборное или измеренное значение горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли). Отсюда Ω 1 = ω ♀ cos φ . Полная величина угловой скорости вращения Земли известна, тогда φ = arccos Ω 1 / ω ♀ .

Рассмотрим более подробно принцип работы гирокомпасов с непосредственным управлением.

Смещение центра тяжести чувствительного элемента гирокомпаса относительно центра подвеса - это первое условие превращения свободного гироскопа в гирокомпас. В параграфе 2.4.3 рассмотрено движение такого гироскопа на Земле. Для более подробного анализа реализации этого условия необходимо составить уравнения движения чувствительного элемента в горизонтной системе координат. Для этого воспользуемся уравнениями движения свободного гироскопа (2.1). Поскольку главная ось чувствительного элемента гирокомпаса всегда близка к плоскостям горизонта и меридиана, то углы α и β малы. Тогда tg β ≈ О, sin α ≈ α. Теперь уравнения примут вид

Как рассматривалось в параграфе 2.4.3, вследствие вращения Земли гироскоп в горизонтной системе координат видимым образом движется в азимуте с угловой скоростью , а по высоте - с угловой скоростью . С появлением угла β , то есть с отклонением центра тяжести от вертикальной линии, проходящей через центр подвеса чувствительного элемента, появляется плечо (рис. 3.3)

DG = a sin β ≈ а β .

С появлением плеча возникает момент силы тяжести L y = В β (см.(2.12)), называемый маятниковым моментом. Последнее обстоятельство приводит к прецессии гироскопа к западу:

ω pz = -

Так как угол β мал, cos β ≈ 1, то проекция полученной угловой скорости на вертикаль равна ω pz .

Угловая скорость прецессии в азимуте войдет в первое уравнение системы (3.3)

На движение гироскопа по высоте никакого дополнительного влияния не возникло. Окончательно уравнения примут вид

,

(3.4)

Получены дифференциальные уравнения движения чувствительного элемента в горизонтной системе координат. Они с достаточной степенью точности характеризуют это движение как в азимуте, так и по высоте.

Такой же результат дает способ Кудревича, рассмотренный в параграфе 2.2. Просуммировав гироскопические моменты Н , Hω 2 и момент силы тяжести, приложенные по оси у , получим первое уравнение, а сумма гироскопических моментов по оси z дает второе уравнение системы (3.4). Малые члены уравнений исключены из рассмотрения заранее для упрощения преобразований.

Уравнения описывают незатухающие колебания гирокомпаса, характер и физический смысл которых изложен в параграфе 2.4.3.

Незатухающие колебания совершаются у положения равновесия, которое займет ось х чувствительного элемента, когда прекратится движение, то есть при = 0 и = 0. Подставив эти значения в уравнения (3.4), получим их частные решения:

(3.5)

Данные уравнения характеризуют положение равновесия главной оси гирокомпаса.

Анализ уравнений:

1. Главная ось гироскопа находится в плоскости меридиана. Она приподнята над плоскостью горизонта на угол β r , что приводит к появлению момента Вβ r . Наличие этого момента обеспечивает прецессию оси х гирокомпаса вслед за уходящим к западу меридианом:

ω pz = -

2. Угол β r зависит от широты.

Для нахождения общего решения уравнений движения (3.4) необходимо разделить переменные. Продифференцируем первое уравнение:

Из второго уравнения подставим значение и после преобразования получим

(3.7)

здесь ω 0 - круговая частота незатухающих колебаний. Причем ω 0 =В/Н и ω 0 = ω ♀ cos φ. Отсюда найдем период незатухающих колебаний как величину, обратно пропорциональную_частоте:

(3.8)

Из анализа уравнений следует:

1. Период незатухающих колебаний зависит от широты. На экваторе он минимален, на полюсе - стремится к бесконечности, что происходит вследствие потери гирокомпасом избирательности к меридиану.

2. Период Т зависит от параметров гирокомпас Н и В . Это дает возможность его регулировать.

Гирокомпас представляет собой автоматическую систему. Для ее оценки с точки зрения основ автоматики произведем линейное преобразование уравнения (3.6), считая = λ . Следовательно,

λ 2 + ω 0 2 = 0 (3.9)

Выражение (3.9) является характеристическим уравнением и имеет мнимые корни

λ 1,2 = ±i ω 0 ,

где i = .

В соответствии с критериями устойчивости Гурвица система неустойчива, если корни характеристического уравнения мнимые. Переходный процесс имеет гармонический характер. Следовательно, гирокомпас совершает гармонические незатухающие колебания.

Общее решение уравнения (3.6) имеет вид

α = C 1 cos ω 0 t+ C 2 sin ω 0 t (3.10)

где С 1 и C 2 - постоянные интегрирования.

Для начальных условий (t = 0 ) последний член уравнения равен нулю, а угол отклонения в азимуте максимален и равен α 0 , то есть С 1 = α 0 . Тогда

α = α 0 cos ω 0 t (3.11)

Из анализа уравнения (3.11) можно заключить, что гирокомпас совершает незатухающие колебания с амплитудой, равной начальному отклонению главной оси чувствительного элемента от плоскости истинного меридиана. Величиной C 2 пренебрегаем ввиду ее незначительности.

Для нахождения закона движения главной оси гироскопа по высоте продифференцируем уравнение (3.11):

= - α 0 ω 0 sin ω 0 t .

Подставив это значение в первое уравнение системы (3.4), получим

Для упрощения данного выражения произведем замену

Здесь все составляющие постоянны. Последний член уравнения равен β r (см.(3.5)). После замены выражение примет вид

Уравнение (3.11) можно представить в виде

Воспользовавшись теоремой Пифагора, найдем текущее значение конца вектора чувствительного элемента для любого момента времени (рис. 3.3)

(3.12)

Это выражение является уравнением эллипса с центром α r = 0, β = β r и с полуосями: большой α 0 , малой β 0 . Это и есть траектория движения главной оси гироскопа. Анализ этого движения описан в параграфе 2.4.3.

Итак: выполнено первое условие превращения свободного гироскопа в гирокомпас. Хотя таким прибором пользоваться еще нельзя, так как он совершает незатухающие колебания, но эти колебания происходят вокруг известного направления - истинного меридиана, а говоря строже - направления вектора горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли.

Последнее уточнение рассмотрим подробнее. Маятниковый момент создается благодаря смещению центра тяжести гироскопа относительно центра подвеса, а также вследствие вращения Земли. В положении равновесия центр тяжести чувствительного элемента вращается в инерциальном пространстве вокруг вектора ω 1 , совершая один оборот в сутки. Именно к его направлению и приходит главная ось чувствительного элемента. В свою очередь этот вектор находится в плоскости истинного меридиана. Следовательно, в частном случае, а именно - при неподвижном основании, когда гирокомпас участвует только в одном вращении - вращении Земли, он приходит в плоскость истинного меридиана.

Обратимся ко второму уравнению системы (3.4). Домножим все его члены на величину Н . С учетом вышесказанного второй член этого уравнения является моментом

R z = Hω ♀ + cos φ α , (3.13)

который характеризует реакцию гироскопа с пониженным центром тяжести на его отклонение в азимуте от направления вектора ω 1 (то есть от плоскости истинного меридиана). Данный момент является гироскопическим моментом и возникает при движении гироскопа по высоте (рис.3.3). Движение по высоте вследствие вращения Земли происходит только в случае, когда α ≠ 0. Таким образом, R z является направляющим моментом гирокомпаса. Анализ уравнения (3.13) позволяет сделать следующие выводы:

1. Направляющий момент может возникать только при вращении Земли. Это обязательное условие превращения свободного гироскопа в гирокомпас. На любой планете, не имеющей вращения, чувствительный элемент занимал бы неопределенное положение (ω ♀ = 0, R z = 0).

2. Гирокомпас занимает также неопределенное положение и на полюсе (cos 90° = 0, R z: = 0), вследствие потери направляющего момента. Фактически гирокомпас теряет избирательность к меридиану в широтах выше 75 85°, когда R z становится малым и соизмеримым с вредными моментами. Гирокомпасы, установленные на подводной лодке "Ленинский комсомолец", совершившей плавание на северный полюс в 1962 г., по техническим условиям должны были работать до широты 85°. Фактически они потеряли чувствительность к меридиану в широте 86,5°. Это отмечено в воспоминаниях бывшего командира этой лодки Жильцова. Для гирокомпаса "Курс-4" и его модификаций предельная рабочая широта составляет 75°.

3. Направляющий момент обращается в ноль, когда гирокомпас в меридиане (α = 0, R z = 0).

Итак, для превращения свободного гироскопа в гирокомпас в условиях вращающейся Земли нужно "связать" с нею гироскоп. Связь гироскопа с Землей осуществляется реализацией конструктивных решений. Для гирокомпаса "Курс-4" таким решением является снижение центра тяжести чувствительного элемента относительно центра подвеса. Это приводит к возникновению незатухающих колебаний, теоретический анализ которых приведен в настоящем параграфе, а графический - в параграфе 2.4.3.

Однако такой прибор еще не является гирокомпасом. Необходимо превратить его незатухающие колебания в затухающие. Для этой цели служит масляный успокоитель (жидкостный демпфер). Введение дополнительного устройства, масляного успокоителя, использующего в своей работе также силу тяжести, - это выполнение второго условия превращения свободного гироскопа в гирокомпас.

Билет № 8

Затухающие колебания

В любых автоматических системах гашение механических колебаний производится с помощью момента, сдвинутого от основного момента либо по фазе (по времени), либо в пространстве на 90°. В первом случае оба момента прикладываются по одной оси, во втором - по разным.

1. Колебания. Периодические колебания. Гармонические колебания.

2. Свободные колебания. Незатухающие и затухающие колебания.

3. Вынужденные колебания. Резонанс.

4. Сопоставление колебательных процессов. Энергия незатухающих гармонических колебаний.

5. Автоколебания.

6. Колебания тела человека и их регистрация.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

1.1. Колебания. Периодические колебания.

Гармонические колебания

Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости.

Повторяющиеся процессы непрерывно происходят внутри любого живого организма, например: сокращения сердца, работа легких; мы дрожим, когда нам холодно; мы слышим и разговариваем благодаря колебаниям барабанных перепонок и голосовых связок; при ходьбе наши ноги совершают колебательные движения. Колеблются атомы, из которых мы состоим. Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям.

В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электрические и т.п. В настоящей лекции рассматриваются механические колебания.

Периодические колебания

Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики движения повторяются через определенный промежуток времени.

Для периодических колебаний используют следующие характеристики:

период колебаний Т, равный времени, в течение которого совершается одно полное колебание;

частота колебаний ν, равная числу колебаний, совершаемых за одну секунду (ν = 1/Т);

амплитуда колебаний А, равная максимальному смещению от положения равновесия.

Гармонические колебания

Особое место среди периодических колебаний занимают гармонические колебания. Их значимость обусловлена следующими причинами. Во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер, очень близкий к гармоническому, и, во-вторых, периодические процессы иной формы (с другой зависимостью от времени) могут быть представлены как наложение нескольких гармонических колебаний.

Гармонические колебания - это колебания, при которых наблюдаемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса:

В математике функции этого вида называют гармоническими, поэтому колебания, описываемые такими функциями, тоже называют гармоническими.

Положение тела, совершающего колебательное движение, характеризуется смещением относительно равновесного положения. В этом случае величины, входящие в формулу (1.1), имеют следующий смысл:

х - смещение тела в момент времени t;

А - амплитуда колебаний, равная максимальному смещению;

ω - круговая частота колебаний (число колебаний, совершаемых за 2π секунд), связанная с частотой колебаний соотношением

φ = (ωt +φ 0) - фаза колебаний (в момент времени t); φ 0 - начальная фаза колебаний (при t = 0).

Рис. 1.1. Графики зависимости смещения от времени для х(0) = А и х(0) = 0

1.2. Свободные колебания. Незатухающие и затухающие колебания

Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из положения равновесия.

Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Для того чтобы вызвать колебания, нужно либо толкнуть шарик, либо, отведя в сторону, отпустить его. При толчке шарику сообщается кинетическая энергия, а при отклонении - потенциальная.

Свободные колебания совершаются за счет первоначального запаса энергии.

Свободные незатухающие колебания

Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. В противном случае первоначальный запас энергии будет расходоваться на ее преодоление, и размах колебаний будет уменьшаться.

В качестве примера рассмотрим колебания тела, подвешенного на невесомой пружине, возникающие после того, как тело отклонили вниз, а затем отпустили (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Колебания тела на пружине

Со стороны растянутой пружины на тело действует упругая сила F, пропорциональная величине смещения х:

Постоянный множитель k называется жесткостью пружины и зависит от ее размеров и материала. Знак «-» указывает, что сила упругости всегда направлена в сторону, противоположную направлению смещения, т.е. к положению равновесия.

При отсутствии трения упругая сила (1.4) - это единственная сила, действующая на тело. Согласно второму закону Ньютона (ma = F):

После переноса всех слагаемых в левую часть и деления на массу тела (m) получим дифференциальное уравнение свободных колебаний при отсутствии трения:

Величина ω 0 (1.6) оказалась равной циклической частоте. Эту частоту называют собственной.

Таким образом, свободные колебания при отсутствии трения являются гармоническими, если при отклонении от положения равновесия возникает упругая сила (1.4).

Собственная круговая частота является основной характеристикой свободных гармонических колебаний. Эта величина зависит только от свойств колебательной системы (в рассматриваемом случае - от массы тела и жесткости пружины). В дальнейшем символ ω 0 всегда будет использоваться для обозначения собственной круговой частоты (т.е. частоты, с которой происходили бы колебания при отсутствии силы трения).

Амплитуда свободных колебаний определяется свойствами колебательной системы (m, k) и энергией, сообщенной ей в начальный момент времени.

При отсутствии трения свободные колебания, близкие к гармоническим, возникают также и в других системах: математический и физический маятники (теория этих вопросов не рассматривается) (рис. 1.3).

Математический маятник - небольшое тело (материальная точка), подвешенное на невесомой нити (рис. 1.3 а). Если нить отклонить от положения равновесия на небольшой (до 5°) угол α и отпустить, то тело будет совершать колебания с периодом, определяемым по формуле

где L - длина нити, g - ускорение свободного падения.

Рис. 1.3. Математический маятник (а), физический маятник (б)

Физический маятник - твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной горизонтальной оси. На рисунке 1.3 б схематически изображен физический маятник в виде тела произвольной формы, отклоненного от положения равновесия на угол α. Период колебаний физического маятника описывается формулой

где J - момент инерции тела относительно оси, m - масса, h - расстояние между центром тяжести (точка С) и осью подвеса (точка О).

Момент инерции - это величина, зависящая от массы тела, его размеров и положения относительно оси вращения. Вычисляется момент инерции по специальным формулам.

Свободные затухающие колебания

Силы трения, действующие в реальных системах, существенно изменяют характер движения: энергия колебательной системы постоянно убывает, и колебания либо затухают, либо вообще не возникают.

Сила сопротивления направлена в сторону, противоположную движению тела, и при не очень больших скоростях пропорциональна величине скорости:

График таких колебаний представлен на рис. 1.4.

В качестве характеристики степени затухания используют безразмерную величину, называемую логарифмическим декрементом затухания λ.

Рис. 1.4. Зависимость смещения от времени при затухающих колебаниях

Логарифмический декремент затухания равен натуральному логарифму отношения амплитуды предыдущего колебания к амплитуде последующего колебания.

где i - порядковый номер колебания.

Нетрудно видеть, что логарифмический декремент затухания находится по формуле

Сильное затухание. При

выполнении условия β ≥ ω 0 система возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний. Такое движение называется апериодическим. На рисунке 1.5 показаны два возможных способа возвращения в положение равновесия при апериодическом движении.

Рис. 1.5. Апериодическое движение

1.3. Вынужденные колебания, резонанс

Свободные колебания при наличии сил трения являются затухающими. Незатухающие колебания можно создать с помощью периодического внешнего воздействия.

Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодической силы (ее называют вынуждающей силой).

Пусть вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону

График вынужденных колебаний представлен на рис. 1.6.

Рис. 1.6. График зависимости смещения от времени при вынужденных колебаниях

Видно, что амплитуда вынужденных колебаний достигает установившегося значения постепенно. Установившиеся вынужденные колебания являются гармоническими, а их частота равна частоте вынуждающей силы:

Амплитуда (А) установившихся вынужденных колебаний находится по формуле:

Резонансом называется достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний при определенном значении частоты вынуждающей силы.

Если условие (1.18) не выполнено, то резонанс не возникает. В этом случае при увеличении частоты вынуждающей силы амплитуда вынужденных колебаний монотонно убывает, стремясь к нулю.

Графическая зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от круговой частоты вынуждающей силы при разных значениях коэффициента затухания (β 1 > β 2 > β 3) показана на рис. 1.7. Такая совокупность графиков называется резонансными кривыми.

В некоторых случаях сильное возрастание амплитуды колебаний при резонансе является опасным для прочности системы. Известны случаи, когда резонанс приводил к разрушению конструкций.

Рис. 1.7. Резонансные кривые

1.4. Сопоставление колебательных процессов. Энергия незатухающих гармонических колебаний

В таблице 1.1 представлены характеристики рассмотренных колебательных процессов.

Таблица 1.1. Характеристики свободных и вынужденных колебаний

Энергия незатухающих гармонических колебаний

Тело, совершающее гармонические колебания, обладает двумя видами энергии: кинетической энергией движения Е к = mv 2 /2 и потенциальной энергией Е п, связанной с действием упругой силы. Известно, что при действии упругой силы (1.4) потенциальная энергия тела определяется формулой Е п = кх 2 /2. Для незатухающих колебаний х = А cos(ωt), а скорость тела определяется по формуле v = - А ωsin(ωt). Отсюда получаются выражения для энергий тела, совершающего незатухающие колебания:

Полная энергия системы, в которой происходят незатухающие гармонические колебания, складывается из этих энергий и остается неизменной:

Здесь m - масса тела, ω и A - круговая частота и амплитуда колебаний, k - коэффициент упругости.

1.5. Автоколебания

Существуют такие системы, которые сами регулируют периодическое восполнение потерянной энергии и поэтому могут колебаться длительное время.

Автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, поступление которой регулируется самой колебательной системой.

Системы, в которых возникают такие колебания, называются автоколебательными. Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы. Автоколебательную систему можно представить следующей схемой:

В данном случае сама колебательная система каналом обратной связи воздействует на регулятор энергии, информируя его о состоянии системы.

Обратной связью называется воздействие результатов какоголибо процесса на его протекание.

Если такое воздействие приводит к возрастанию интенсивности процесса, то обратная связь называется положительной. Если воздействие приводит к уменьшению интенсивности процесса, то обратная связь называется отрицательной.

В автоколебательной системе может присутствовать как положительная, так и отрицательная обратная связь.

Примером автоколебательной системы являются часы, в которых маятник получает толчки за счет энергии поднятой гири или закрученной пружины, причем эти толчки происходят в те моменты, когда маятник проходит через среднее положение.

Примером биологических автоколебательных систем являются такие органы, как сердце, легкие.

1.6. Колебания тела человека и их регистрация

Aнализ колебаний, создаваемых телом человека или его отдельными частями, широко используется в медицинской практике.

Колебательные движения тела человека при ходьбе

Ходьба - это сложный периодический локомоторный процесс, возникающий в результате координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей. Aнализ процесса ходьбы дает много диагностических признаков.

Характерной особенностью ходьбы является периодичность опорного положения одной ногой (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опоры). В норме соотношение этих периодов равно 4:1. При ходьбе происходит периодическое смещение центра масс (ЦМ) по вертикальной оси (в норме на 5 см) и отклонение в сторону (в норме на 2,5 см). При этом ЦМ совершает движение по кривой, которую приближенно можно представить гармонической функцией (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Вертикальное смещение ЦМ тела человека во время ходьбы

Сложные колебательные движения при поддержании вертикального положения тела.

У человека, стоящего вертикально, происходят сложные колебания общего центра масс (ОЦМ) и центра давления (ЦД) стоп на плоскость опоры. На анализе этих колебаний основана статокинезиметрия - метод оценки способности человека сохранять вертикальную позу. Посредством удержания проекции ОЦМ в пределах координат границы площади опоры. Данный метод реализуется с помощью стабилометрического анализатора, основной частью которого является стабилоплатформа, на которой в вертикальной позе находится испытуемый. Колебания, совершаемые ЦД испытуемого при поддержании вертикальной позы, передаются стабилоплатформе и регистрируются специальными тензодатчиками. Сигналы тензодатчиков передаются на регистрирующее устройство. При этом записывается статокинезиграмма - траектория перемещения ЦД испытуемого на горизонтальной плоскости в двумерной системе координат. По гармоническому спектру статокинезиграммы можно судить об особенностях вертикализации в норме и при отклонениях от нее. Данный метод позволяет анализировать показатели статокинетической устойчивости (СКУ) человека.

Механические колебания сердца

Существуют различные методы исследования сердца, в основе которых лежат механические периодические процессы.

Баллистокардиография (БКГ) - метод исследования механических проявлений сердечной деятельности, основанный на регистрации пульсовых микроперемещений тела, обусловленных выбрасыванием толчком крови из желудочков сердца в крупные сосуды. При этом возникает явление отдачи. Тело человека помещают на специальную подвижную платформу, находящуюся на массивном неподвижном столе. Платформа в результате отдачи приходит в сложное колебательное движение. Зависимость смещения платформы с телом от времени называется баллистокардиограммой (рис. 1.9), анализ которой позволяет судить о движении крови и состоянии сердечной деятельности.

Апекскардиография (AKГ) - метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки в области верхушечного толчка, вызванных работой сердца. Регистрация апекскардиограммы производится, как правило, на многоканальном электрокарди-

Рис. 1.9. Запись баллистокардиограммы

ографе при помощи пьезокристаллического датчика, являющегося преобразователем механических колебаний в электрические. Перед записью на передней стенке грудной клетки пальпаторно определяют точку максимальной пульсации (верхушечный толчок), в которой и фиксируют датчик. По сигналам датчика автоматически строится апекскардиограмма. Проводят амплитудный анализ АКГ - сравнивают амплитуды кривой при разных фазах работы сердца с максимальным отклонением от нулевой линии - отрезок ЕО, принимаемый за 100%. На рисунке 1.10 представлена апекскардиограмма.

Рис. 1.10. Запись апекскардиограммы

Кинетокардиография (ККГ) - метод регистрации низкочастотных вибраций стенки грудной клетки, обусловленных сердечной деятельностью. Кинетокардиограмма отличается от апекскардиограммы: первая фиксирует запись абсолютных движений грудной стенки в пространстве, вторая регистрирует колебания межреберий относительно ребер. В данном методе определяются перемещение (ККГ х), скорость перемещения (ККГ v) а также ускорение (ККГ а) для колебаний грудной клетки. На рисунке 1.11 представлено сопоставление различных кинетокардиограмм.

Рис. 1.11. Запись кинетокардиограмм перемещения (х), скорости (v), ускорения (а)

Динамокардиография (ДКГ) - метод оценки перемещения центра тяжести грудной клетки. Динамокардиограф позволяет регистрировать силы, действующие со стороны грудной клетки человека. Для записи динамокардиограммы пациент располагается на столе лежа на спине. Под грудной клеткой находится воспринимающее устройство, которое состоит из двух жестких металлических пластин размером 30x30 см, между которыми расположены упругие элементы с укрепленными на них тензодатчиками. Периодически меняющаяся по величине и месту приложения нагрузка, действующая на воспринимающее устройство, слагается из трех компонент: 1) постоянная составляющая - масса грудной клетки; 2) переменная - механический эффект дыхательных движений; 3) переменная - механические процессы, сопровождающие сердечное сокращение.

Запись динамокардиограммы осуществляют при задержке дыхания исследуемым в двух направлениях: относительно продольной и поперечной оси воспринимающего устройства. Сравнение различных динамокардиограмм показано на рис. 1.12.

Сейсмокардиография основана на регистрации механических колебаний тела человека, вызванных работой сердца. В этом методе с помощью датчиков, установленных в области основания мечевидного отростка, регистрируется сердечный толчок, обусловленный механической активностью сердца в период сокращения. При этом происходят процессы, связанные с деятельностью тканевых механорецепторов сосудистого русла, активирующихся при снижении объема циркулирующей крови. Сейсмокардиосигнал формирует форма колебаний грудины.

Рис. 1.12. Запись нормальной продольной (а) и поперечной (б) динамокардиограмм

Вибрация

Широкое внедрение различных машин и механизмов в жизнь человека повышает производительность труда. Однако работа многих механизмов связана с возникновением вибраций, которые передаются человеку и оказывают на него вредное влияние.

Вибрация - вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.

Человек постоянно испытывает различного рода вибрационные воздействия в транспорте, на производстве, в быту. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела (например, руке рабочего, держащего отбойный молоток), распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб). Действие вибраций на человека обусловлено многими факторами, характеризующими вибрации: частотой (спектр частот, основная частота), амплитудой, скоростью и ускорением колеблющейся точки, энергией колебательных процессов.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Эта болезнь приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Влияние, которое вибрации оказывают на организм, зависит от интенсивности, частоты, длительности вибраций, места их приложения и направления по отношению к телу, позе, а также от состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Колебания с частотой 3-5 Гц вызывают реакции вестибулярного аппарата, сосудистые расстройства. При частотах 3-15 Гц наблюдаются расстройства, связанные с резонансными колебаниями отдельных органов (печень, желудок, голова) и тела в целом. Колебания с частотами 11-45 Гц вызывают ухудшение зрения, тошноту, рвоту. При частотах, превышающих 45 Гц, возникают повреждение сосудов головного мозга, нарушение циркуляции крови и т.д. На рисунке 1.13 приведены области частот вибрации, оказывающие вредное действие на человека и системы его органов.

Рис. 1.13. Области частот вредного воздействия вибрации на человека

В то же время в ряде случаев вибрации находят применение в медицине. Например, при помощи специального вибратора стоматолог готовит амальгаму. Использование высокочастотных вибрационных аппаратов позволяет высверлить в зубе отверстие сложной формы.

Вибрация используется и при массаже. При ручном массаже массируемые ткани приводятся в колебательное движение при помощи рук массажиста. При аппаратном массаже используются вибраторы, в которых для передачи телу колебательных движений служат наконечники различной формы. Вибрационные аппараты подразделяются на аппараты для общей вибрации, вызывающие сотрясение всего тела (вибрационные «стул», «кровать», «платформа» и др.), и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.

Механотерапия

В лечебной физкультуре (ЛФК) используются тренажеры, на которых осуществляются колебательные движения различных частей тела человека. Они используются в механотерапии - форме ЛФК, одной из задач которой является осуществление дозированных, ритмически повторяющихся физических упражнений с целью тренировки или восстановления подвижности в суставах на аппаратах маятникового типа. Основу этих аппаратов составляет балансирующий (от фр. balancer - качать, уравновешивать) маятник, который представляет собой двуплечный рычаг, совершающий колебательные (качательные) движения около неподвижной оси.

1.7. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

1.8. Задачи

1. Привести примеры колебательных систем у человека.

2. У взрослого человека сердце делает 70 сокращений в минуту. Определить: а) частоту сокращений; б) число сокращений за 50 лет

Ответ: а) 1,17 Гц; б) 1,84х10 9 .

3. Какую длину должен иметь математический маятник, чтобы период его колебаний был равен 1 секунде?

4. Тонкий прямой однородный стержень длиной 1 м подвешен за конец на оси. Определить: а) чему равен период его колебаний (малых)? б) какова длина математического маятника, имеющего такой же период колебаний?

5. Тело массой 1 кг совершает колебания по закону х = 0,42 cos(7,40t), где t - измеряется в секундах, а х - в метрах. Найти: а) амплитуду; б) частоту; в) полную энергию; г) кинетическую и потенциальную энергии при х = 0,16 м.

6. Оценить скорость, с которой идет человек при длине шага l = 0,65 м. Длина ноги L = 0,8 м; центр тяжести находится на расстоянии H = 0,5 м от ступни. Для момента инерции ноги относительно тазобедренного сустава использовать формулу I = 0,2mL 2 .

7. Каким образом можно определить массу небольшого тела на борту космической станции, если в вашем распоряжении имеются часы, пружина и набор гирь?

8. Амплитуда затухающих колебаний убывает за 10 колебаний на 1/10 часть своей первоначальной величины. Период колебаний Т = 0,4 с. Определить логарифмический декремент и коэффициент затухания.

Лекция 12. Механические колебания и волны.

План лекции

Гармонические колебания и их характеристики.

Свободные незатухающие механические колебания.

Свободные затухающие и вынужденные механические колебания.

Упругие волны.

Гармонические колебания и их характеристики.

Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени, т.е. колебания - периодические изменения какой-либо величины.

В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания. В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные (или собственные) колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.

Колебания называются периодическими, если значения всех физических величин, изменяющихся при колебаниях системы, повторяются через равные промежутки времени.

Период - это время, за которое совершается одно полное колебание:

где
- число колебаний за время.

Частота колебаний - число полных колебаний, совершенных за единицу времени.

Циклическая или круговая частота - число полных колебаний, совершенных за время 2(единиц времени):

.

Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания , при которых изменение величины происходит по закону синуса или косинуса (рис.1):

,

где - значение изменяющейся величины;

- амплитуда колебаний, максимальное значение изменяющейся величины;

- фаза колебаний в момент времени(угловая мера времени);

 0 - начальная фаза, определяет значениев начальный момент времени при
,.

Колебательная система, совершающая гармонические колебания, называется гармоническим осциллятором .

Скорость и ускорение при гармонических колебаниях:

Свободные незатухающие механические колебания.

Свободными или собственными называются колебания, которые совершает система около положения равновесия после того, как она каким-либо образом была выведена из состояния устойчивого равновесия и представлена самой себе.

Как только тело (или система) выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Эта сила называется возвращающей , она всегда направлена к положению равновесия, происхождение ее различно:

а) для пружинного маятника - сила упругости;

б) для математического маятника - составляющая сила тяжести.

Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.

Если в системе отсутствуют силы трения, колебания продолжаются бесконечно долго с постоянной амплитудой и называются собственными незатухающими колебаниями.

Пружинный маятник - материальная точка массойm , подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы.

Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника.

ПоIIзакону Ньютона,

по закону Гука,

где k – жесткость,
;

или
.

Обозначим циклическая частота собственных колебаний.

-дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний.

Решением этого уравнения является выражение: .

период колебаний пружинного маятника.

При гармонических колебаниях полная энергия системы остается постоянной, происходит непрерывный переход ви наоборот.

Математический маятник - материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити (рис.2).

Можно доказать, что в этом случае

Пружинный и математический маятники являются гармоническими осцилляторами (как и колебательный контур). Гармоническим осциллятором называется система, описываемая уравнением:

.

Колебания гармонического осциллятора являются важным примером периодического движения и служат приближенной моделью во многих задачах классической и квантовой физики.

Свободные затухающие и вынужденные механические колебания.

Во всякой реальной системе, совершающей механические колебания, всегда действуют те или иные силы сопротивления (трение в точке подвеса, сопротивление окружающей среды и т.п.), на преодоление которых система затрачивает энергию, вследствие чего реальные свободные механические колебания всегда являются затухающими.

Затухающие колебания - это колебания, амплитуда которых убывает со временем.

Найдем закон изменения амплитуды.

Для пружинного маятника массой m, совершающего малые колебания под действием упругой силы
сила трения пропорциональна скорости:

где r- коэффициент сопротивления среды; знак минус означает, что
всегда направлена противоположно скорости.

Согласно IIзакону Ньютона уравнение движения маятника имеет вид:

Обозначим:

дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний.

Решением этого уравнения является выражение:

,

где циклическая частота свободных затухающих колебаний,

 0 - циклическая частота свободных незатухающих колебаний,

 - коэффициент затухания,

A 0 - амплитуда в начальный момент времени (t=0).

- закон убывания амплитуды.

С течением времени амплитуда убывает по экспоненциальному закону (рис. 3).

Время релаксации - это время, за которое амплитуда уменьшается враз.

.

Таким образом, есть величина, обратная времени релаксации.

Важнейшей характеристикой затухающих колебаний является логарифмический декремент затухания .

Логарифмическим декрементом затухания называется натуральный логарифм отношения двух амплитуд, отличающихся друг от друга по времени на период:

.

Выясним его физический смысл.

За время релаксации система успеет совершитьNколебаний:

т.е. - это величина, обратная числу колебаний, в течение которых амплитуда уменьшается в е раз.

Для характеристики колебательной системы используют понятие добротности:

.

Добротность - физическая величина, пропорциональная числу колебаний, в течение которых амплитуда уменьшается в е раз (рис. 4,
).

Вынужденными называются колебания, которые совершаются в системе под действием периодически изменяющейся внешней силы.

Пусть внешняя сила изменяется по гармоническому закону:

Кроме внешней силы на колеблющуюся систему действуют возвращающая сила и сила сопротивления, пропорциональная скорости колебаний:

Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте вынуждающей силы. Экспериментально установлено, что смещение отстает в своем изменении от вынуждающей силы. Можно доказать, что

где - амплитуда вынужденных колебаний,

- разность фаз колебанийи
,

;
.

Графически вынужденные колебания представлены на рис.5.

Если вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону, то и сами колебания будут гармоническими. Их частота равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда пропорциональна амплитуде вынуждающей силы.

Зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силыприводит к тому, что при некоторой, определенной для данной системы частоте, амплитуда достигает максимума.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте системы (к резонансной частоте) называется резонансом (рис.6).

Упругие волны.

Любое упругое тело состоит из большого числа частиц (атомов, молекул), взаимодействующих друг с другом. Силы взаимодействия проявляются при изменении расстояния между частицами (при растяжении возникают силы притяжения, при сжатии – отталкивания) и имеют электромагнитную природу. Если какая-либо частица внешним воздействием выводится из положения равновесия, то она потянет за собой в том же направлении другую частицу, эта вторая - третью, и возмущение будет распространяться от частицы к частице в среде с определенной скоростью, зависящей от свойств среды. Если частица была сдвинута вверх, то под действием верхних частиц, отталкивающих, и нижних, притягивающих, она начнет двигаться вниз, пройдет положение равновесия, по инерции сместиться вниз и т.д., т.е. будет совершать гармоническое колебательное движение, вынуждая к колебаниям соседнюю частицу, и т.д. Поэтому при распространении возмущения в среде все частицы совершают колебания с одинаковой частотой, каждая около своего положения равновесия.

Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой волной. Этот процесс периодичен во времени и пространстве. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основное свойство всех волн - перенос энергии без переноса вещества.

Различают продольные и поперечные упругие волны.

Упругая волна называется продольной, если частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны (рис.7).

Для взаимного расположения колеблющихся точек характерны сгущения и разряжения.

При распространении такой волны в среде возникают сгущения и разряжения. Продольные волны возникают в твердых, жидких и газообразных телах, в которых возникают упругие деформации при сжатии или растяжении.

Упругая волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 8).

При распространении поперечной волны в упругой среде образуются гребни и впадины. Поперечная волна возможна в среде, где деформация сдвига вызывает упругие силы, т.е. в твердых телах. На границе раздела 2-х жидкостей или жидкости и газа возникают волны на поверхности жидкости, они вызываются либо силами натяжения, либо силами тяжести.

Таким образом, внутри жидкости и газа возникают только продольные волны, в твердых телах – продольные и поперечные.

Скорость распространения волн зависит от упругих свойств среды и ее плотности. Скорость распространения продольных волн в 1,5 раза больше скорости поперечных.

Распространяясь от одного источника, обе волны приходят к приемнику в разное время. Измеряя разность времен распространения продольных и поперечных волн, можно определить место источника волн (атомного взрыва, эпицентра землетрясения и т.д.).

С другой стороны, скорость распространения волн в земной коре зависит от пород, залегающих между источником и приемником волн. Это является основой геофизических методов исследования состава земной коры и поиска полезных ископаемых.

Продольные волны, распространяющиеся в газах, жидкости и твердых телах и воспринимаемые человеком, называются звуковыми волнами. Их частота лежит в пределах от 16 до 20000 Гц, ниже 16 Гц - инфразвук, выше 20000Гц - ультразвук.

Соколов С.Я., член корреспондент АН СССР, в 1927-28 гг. обнаружил способность ультразвуковых волн проникать сквозь металлы и разработал методику УЗ дефектоскопии, сконструировав первый УЗ генератор на 10 9 Гц. В 1945 году он первым разработал метод преобразования механических волн в видимые световые и создал ультразвуковой микроскоп.

Волна, распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые области пространства.

Геометрическое место точек, до которых распространились колебания к данному моменту времени t, называетсяфронтом волны .

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью .

Волновых поверхностей можно провести бесконечно много, но их вид для данной волны одинаков. Волновой фронт представляет собой волновую поверхность в данный момент времени.

В принципе волновые поверхности могут быть любой формы, а в простейшем случае это совокупность параллельных плоскостей или концентрических сфер (рис. 9).

Волна называется плоской , если ее фронт представляет собой плоскость.

Волна называетсясферической , если ее фронт представляет собой поверхность сферы.

Волны, распространяющиеся в однородной изотропной среде от точечных источников, являются сферическими. На большом расстоянии от источника сферическая волна может рассматриваться как плоская.

Принцип Гюйгенса : каждая точка фронта волны (т.е. каждая колеблющаяся частица среды) является источником вторичных сферических волн. Новое положение фронта волны представляется огибающей этих вторичных волн.

Это утверждение высказал в 1690 году голландский ученый Гюйгенс. Справедливость его можно проиллюстрировать с помощью волн на поверхности воды, которые имитируют сферические волны, возникающие в объеме упругой среды.

а 1 в 1 - фронт в моментt 1 ,

а 2 в 2 - фронт в моментt 2 .

Перегородив поверхность воды преградой с малым отверстием и направив на преграду плоскую волну, убеждаемся, что за преградой - сферическая волна (рис. 10).

Бегущими называются волны, которые переносят в пространстве энергию.

Получим уравнение бегущей плоской волны, предполагая, что колебания носят гармонический характер, а осьYсовпадает с направлением распространения волны.

Уравнение волны определяет зависимость смещения колеблющейся частицы среды от координат и времени.

Пусть некоторая частица среды В (рис. 11) находится на расстоянииу от источника колебаний, расположенного в точкеО . В точкеО смещение частицы среды от положения равновесия происходит по гармоническому закону,

где t - время, отсчитываемое от начала колебаний.

В точке C где
- время, за которое волна от точкиO доходит до точкиC , - скорость распространения волны.

-уравнение плоской бегущей волны .

Это уравнение определяет величину смещения х колеблющейся точки, характеризуемой координатойу , в любой момент времениt .

Если плоская волна распространяется не в положительном направлении оси Y, а в противоположном направлении, то

Т.к. уравнение волны можно записать в виде

Расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны.

Длина волны - расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний частиц среды, т.е.

.

Т.к.

где - волновое число.

В общем случае
.