- скорость движения точки
- ускорение.
Предположим:
1.Струна абсолютно гибкая.
2.Струна упругая – выполняется закон Гука.
3.Струна однородная с плотностью .
Рассмотрим только малые колебания струны: такие что если
- острый угол между OX и касательной струны
Так как , то
При сделанных предположениях можно пренебречь изменением длины любого участка струны.
Покажем что при предположениях Т постоянна и не зависит ни от времени ни от точек её приложения.
Так как по условию все точки струны движутся параллельно оси OY, а внешние силы так же параллельны ей, то сумма проекций сил натяжения на ось OX должна быть равна нулю.
из-за произвольности выбора
точек
и
следует,
что сила натяжения Т не зависит от точки и в данный момент времени илы
натяжения во всех точках равны. По закону Гука
.
Замечание:
Сила натяжения Т направленная по касательной. Пусть малый
участок проецируется в интервал
.
Проецируем на ось OX:
Применим второй закон Ньютона:
-уравнение колебания струны или
одномерное волновое уравнение.
Оно описывает свободные колебания струны без внешних усилий.
Это уравнение имеет бесконечно много решений U(x,t) должно удовлетворять граничным условиям, т.е. в точках x=0 и x=e и начальным условиям, описывающим состояние струны в начальный момент времени t=0. Совокупность начальных и граничных условий называются краевыми условиями. Пусть концы струны закреплены не подвижно, тогда граничными условиями будут U(0,t)=0, U(l,t)=0. Пусть в начальный момент времени струна имеет некоторую форму f(x), тогда U(x,0)=f(x) – начальные условия и в начальный момент времени известна скорость в каждой точке струны
- начальные условия.
Замечание:
Если f(x)=0 и F(x)=0, то струна находится в покое, т.е. U(x,t)=0.
Метод Фурье.
Отыскиваем частные решения уравнения удовлетворяющее
краевым условиям: U(0,t)=0
U(l,t)=0
И начальным условиям
В виде:
Так как левая часть зависит только от t, а правая только от х, то равенство справедливо только тогда, когда в левой и правой части стоят константы:
Получим:
Для X(x):
- Задача Каши.
Случаи:
1)
Система имеет единственное решение, а так как система однородная, то это решение нуль.
2) Пусть С=0
3) С<0
или
.
Число называется
собственным числом, а функции
называется
собственными функциями.
Замечание: Система собственных функций ортагональная на
отрезке .
Тогда решение функции
называются собственными функциями задачи
колебания струны, а соответствующие им колебания собственными колебаниями.
Подберем постоянные и
так чтобы функция удовлетворяла
начальным условиям.
Величины и
- есть коэффициенты разложения в ряд
Фурье по синусам функций f(x) и
F(x) на отрезке
, поэтому
.
Физический смысл собственных функций.
Все точки струны совершают гармонические колебания с одной и
той же частотой и фазой, амплитуда зависит от
положения точки на струне и равна
. Все точки струны
одновременно достигают своего максимального отклонения и одновременно проходят
положение равновесия. Такие колебания называются стоячими волнами.
имеет столько неподвижных
точек сколько корней имеет уравнение
, а уравнение имеет n+1
корень с абсциссами
.
Неподвижные точки называются узлами стоячей волны.
Посередине узлов есть точки в которых отклонение достигает максимума, они
называются пучностями. Любая струна имеет собственное колебание лишь строго
определенных частот. Наименьшая собственная частота .
Высота звука возрастает с частотой колебания , самый низкий звук при
, звук тем выше чем короче и легче струна
и чем больше напряжение.
Тона, соответствующие частотам называются
гармониками.
Если число n таково,
что для некоторого , т.е. узел n – ой гармоники, то
.
Пусть , то
. При n четных
является узлом.
Амплитуда k – ой гармоники пропорциональна величине
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.