12. Коливальний рух.

1.Гармонічний коливальний рух та його кінематичні характеристики.

2.Описання гармонічних коливань. Векторні діаграми.

3.Додавання коливань.

1.Періодичними процесами називають такі зміни стану системи , при яких вона багато разів через деякі проміжки часу повертаємося в один і той же стан.

Прикладами періодичних процесів є обертання та коливання. Найпростішими коливаннями є так звані гармонічні коливання.

Гармонічним коливальним рухом називають рух, який описується рівнянням

або         (12.1)                                                          

де :  – миттєве значення зміщення в момент часу t;

–максимальне відхилення тіла, що коливається, від положення рівноваги;

Цю величину називають амплітудою;

 називають фазою коливань, а її значення при t=0, тобто

 - початковою фазою коливань;

 - це циклічна (або кутова) частота.

Частотою називають число коливань , що здійснює система за одиницю часу.

                                              (12.2)

Час протягом якого система здійснює одне коливання , називається періодом  Т;

Зв’язок між Т та v:

Одиниці вимірювання:

Фаза – безрозмірна фізична величина.

Систему, що здійснює коливальний рух, називають також осцилятором; якщо рух описується рівнянням (12.1), то систему називають лінійним або гармонічним осцилятором.

Швидкість та прискорення тіла, що здійснює гармонічне коливання, знайдемо, взявши похідні від  по t:

        (12.4)

  (12.5)

Порівнюючи вирази (12.5) та (12.1), одержимо:

                          (12.6)

або                  (12.7)

Під час гармонічного коливного руху прискорення тіла пропорціональне зміщенню від положення рівноваги і направлена протилежно зміщенню.

(12.6) чи (12.6’) називають рівнянням руху тіла, що здійснює гармонічний коливальний рух. Це диференціальне рівняння другого порядку; (12.1) є його розв’язком.

Уточнимо тепер поняття періоду:

Періодом гармонічного коливального руху називають найменший час, через який всі величини, що характеризують цей рух, набувають початкових значень.

Періоду відповідає зміна фази на :

2. Описання гармонічних коливань. Векторні діаграми.

Крім аналітичного способу описання гармонічних коливань – з допомогою рівняння , існує декілька способів графічного описання гармонічного коливного руху.

а) Плоскі діаграми – це графіки залежності   від t (мал 12.1)

Мал.12.1.

.б) Якщо не цікавляться фазовими співвідношеннями, то зручним є спектральний метод описання гармонічного коливного руху – спектрограма (мал.12.2).

       А       (або  )

                                         v

Мал.12.2

в) Метод векторних діаграм.

На площині вибирають довільний початок О і довільну вісь ОА. Гармонічна величина, що вивчається, наприклад, зміщення, уявляється вектором, який має довжину, пропорційну амплітуді, а кут між ним і віссю ОА дорівнює початковій фазі. В цьому випадку проекція вектора на вісь визначає миттєве зміщення в момент часу, рівне нулю. Якщо тепер уявити, що вектор рівномірно обертається навколо початку О з частотою руху, який вивчається,то в будь-який момент часу його проекція на вісь дає миттєве значення зміщення. ............