2. Существует абсолютный максимум
. Достигается он при
. Точное значение резонансной частоты можно
получить исследуя максимум резонансной кривой – рис. n7.
Ей соответствует минимум подкоренного выражения в (20). Дифференцируя
подкоренное выражение и приравнивая производную к нулю получаем точное значение
резонансной частоты:
. В пределе малого затухания
,
. При частоте вынуждающей силы, равной
собственной частоте осциллятора наступает резонанс. Как видно, коэффициент
передачи в этом случае наибольший, причем равен добротности осциллирующей
системы. А добротность тем выше, чем меньше затухание.
3. В пределе больших частот Коэффициент передачи стремится к нулю
по закону
.
Замечание. В пределе малых частот
постоянная вынуждающая сила задает
дополнительное постоянное смещение – амплитуда колебаний стремится к величине
отклонения, которое было бы под действием постоянной силы.
.
При резонансе амплитуда колебаний
в раз больше, чем
.
Используя общие свойства
комплексного числа, представим комплексную амплитуду в виде: . Реальная и мнимая части определяются:
(21)
Окончательно, полное решение уравнения колебаний (16) имеет вид:
(22)
Амплитуда вынужденных колебаний
прямо пропорциональна амплитуде внешней силы .
Из выражения (22) следует, что
смещение отстает по фазе от вынуждающей силы на угол
, тангенс которого определяется из:
(23)
При стремлении к нулю
. Угол
из области положительных значений.
С ростом и
приближением частоты к собственной частоте осциллятора
,
вблизи резонанса
, следовательно
.
При переходе через т.
скачком достигает
бесконечных отрицательных значений
.
В пределе
, следовательно
. График
функции
приведен на рис. n9.
Из комплексного вида решения можно выделить, например, его действительную часть. Тогда, общий вид представим формулой:
В резонансе:
Скорость колеблющегося тела можно получить дифференцированием приведенных выражений:
В резонансе:
.
Умножая на
убеждаемся, что при резонансе вынуждающая
сила равна силе трения. Отметим, что сдвиг фазы между скоростью и силой равен
нулю.
Интересно убедиться, что амплитуда скорости установившихся вынужденных колебаний определяется выражением:
Легко видеть, что эта величина
достигает максимума при . Наступает резонанс
скорости. Из уравнения (23) видно, что сдвиг фазы между смещением и вынуждающей
силой при
достигает
. Всегда
между смещением и скоростью имеется точно такой – же сдвиг. Следовательно, при
резонансе скорости внешняя сила и скорость совпадают по фазе. Другими словами
сила в произвольный момент времени действует в направлении скорости, работа
внешней силы положительна и идет на преодоление сил трения.
Замечания относительно превращения энергии при вынужденных колебаниях. Полная мгновенная величина энергии осциллятора при произвольной частоте:
меняется со временем в течение периода. Внешняя сила совершает работу, компенсируя потери энергии из-за силы трения лишь за период.
При низких частотах средняя за период кинетическая энергия гораздо меньше средней потенциальной, т.к. мала скорость тела. При высоких частотах напротив, кинетическая существенно больше потенциальной. В резонансе - при совпадении частот внешней силы и собственной частоты осциллятора, средние за период кинетическая и потенциальная энергии сравниваются.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.