Свободные незатухающие колебания пружинного маятника
Свободные колебания. Колебательные системы.
Свободные колебания тела – это колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии.
Системы тел, которые способны совершать свободные колебания, называются колебательными системами.
Амплитуда, период, частота колебаний.
| Амплитуда –это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия. Измеряется в метрах, сантиметрах и т.п. |
| Период колебаний – это промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание. |
Период колебаний обычно измеряется в секундах.
Обозначается буквой Т.
| Частота колебаний – это число колебаний, совершаемых в единицу времени. |
За единицу частоты принято одно колебание в секунду. Название этой единицы – герц (Гц).
| Чтобы найти период колебаний, надо одну секунду разделить на частоту колебаний: 1 Т = —— ν |
| Частота свободных колебаний называется собственной частотой колебательной системы. |
Виды колебаний.
Колебания бывают гармонические, затухающие, вынужденные.
Свободные незатухающие колебания пружинного маятника
Пружинным маятником называется система, состоящая из груза массой
и невесомой пружины жесткостью 
|
| Рис. 1.1.1 |
Если можно пренебречь силами сопротивления движению и трением, то при выведении системы из положения равновесия на груз будет действовать только сила упругости пружины. (см. рис. 1.1.1)
Запишем уравнение движения груза, составленное по 2-му закону Ньютона:
|
Спроектируем уравнение движения на ось X, при этом учтем, что сила упругости пропорциональна смещению из положения равновесия и направлена в сторону ему противоположную, а ускорение - это вторая производная координаты по времени. Тогда:
| (1) |
Преобразуем выражение (1) к виду
|
Введем обозначение
(частота собственных незатухающих колебаний или собственная частота), окончательно получим
| (2) |
Выражение (2) - это дифференциальное уравнение свободных гармонических незатухающих колебаний.
Решение уравнения (2) будем искать в виде:
| (3) |
Подставим (3) в (2) получим
|
Из полученного выражения найдем значения
:
| (4) |
где
Тогда
|
Чтобы найти
и
воспользуемся начальными условиями, т.е. необходимо знать значение координаты и скорости в начальный момент времени. Пусть
|
Тогда с учетом этого и выражения (3) получим следующее
|
Откуда 
Подставим постоянные интегрирования в выражение, получим
|
Используя представление Эйлера для комплексных чисел
|
получим
| (5) |
Выражение (5) можно привести к виду
|
где амплитуда -
- начальная фаза.
Т.о. амплитуда и начальная фаза находятся из начальных условий для координаты и скорости, а частота собственных незатухающих колебаний - через параметры колебательной системы.