§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания

Рассмотрим свободные затухающие коле­бания — колебания, амплитуда которых из-за потерь энергии реальной колебатель­ной системой с течением времени умень­шается. Простейшим механизмом умень­шения энергии колебаний является ее пре­вращение в теплоту вследствие трения в механических колебательных системах,

а также омических потерь и излучения электромагнитной энергии в электриче­ских колебательных системах.

Закон затухающих колебаний опреде­ляется свойствами колебательных систем. Обычно рассматривают линейные систе­мы — идеализированные реальные систе­мы, в которых параметры, определяющие физические свойства системы, в ходе про­цесса не изменяются. Линейными система­ми являются, например, пружинный маят­ник при малых растяжениях пружины (когда справедлив закон Гука), колеба­тельный контур, индуктивность, емкость и сопротивление которого не зависят ни от тока в контуре, ни от напряжения. Различ­ные по своей природе линейные системы описываются идентичными линейными дифференциальными уравнениями, что по­зволяет подходить к изучению колебаний различной физической природы с единой точки зрения, а также проводить их моде­лирование, в том числе и на ЭВМ.

Дифференциальное уравнение свобод­ных затухающих колебаний линейной системы задается в виде

где s — колеблющаяся величина, описы­вающая тот или иной физический про­цесс, d=const — коэффициент затухания, w₀ — циклическая частота свободных не­затухающих колебаний той же колебатель­ной системы, т. е. при d=0 (при отсутствии потерь энергии) называется собственной частотой колебательной системы.

Решение уравнения   (146.1)   рассмот­рим в виде

s=e^-du (146.2)

где u=u(t). После нахождения первой и второй производных выражения (146.2) и подстановки их в (146.1) получим

Решение уравнения (146.3) зависит от знака коэффициента перед искомой вели­чиной. Рассмотрим случай, когда этот ко­эффициент положителен:

w²=w²₀-d² (146.4)

 

230

(если (w²-d²)>0, то такое обозначение мы вправе сделать). Тогда получим урав­нение типа (142.1)

решением которого является функция и=А₀cos(wt+j)

(см. (140.1)).

Таким образом, решение уравнения (146.1) в случае малых затуханий (d²<<w²₀)

s=A₀е^-dtсоs(wt+j),       (146.5) где А=А₀е^-dt (146.6)

— амплитуда  затухающих   колебаний,   а

a₀ — начальная амплитуда. Зависимость (146.5) показана на рис.208 сплошной линией, а зависимость (146.6) — штри­ховыми линиями. Промежуток времени t=1/d, в течение которого амплитуда за­тухающих колебаний уменьшается в е раз, называется временем релаксации.

Затухание нарушает периодичность колебаний, поэтому затухающие колеба­ния не являются периодическими и, строго говоря, к ним неприменимо понятие перио­да или частоты. Однако если затухание мало, то можно условно пользоваться по­нятием периода как промежутка времени между двумя последующими максимума­ми (или минимумами) колеблющейся фи­зической величины (рис. 208). Тогда пери­од затухающих колебаний с учетом формулы

 (146.4) равен

 

Если A(t) и A(t+T)— амплитуды двух последовательных колебаний, соответству­ющих моментам времени, отличающимся на период, то отношение

называется декрементом затухания, а его

логарифм

— логарифмическим декрементом затуха­ния; N_e — число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания — постоянная для данной колебательной системы величина.

Для характеристики колебательной системы пользуются понятием добротно­сти Q, которая при малых значениях лога­рифмического декремента равна

(так как затухание невелико (d²<<w²₀), то Т принято равным Т₀).

Из формулы (146.8) следует, что до­бротность пропорциональна числу колеба­ний N_e, совершаемых системой за время релаксации.

Применим выводы, полученные для свободных затухающих колебаний линей­ных систем, для колебаний различной фи­зической природы — механических (в ка­честве примера рассмотрим пружинный маятник) и электромагнитных (в качестве примера рассмотрим электрический коле­бательный контур).

1. Свободные затухающие колебания пружинного маятника. Для пружинного маятника (см. § 142) массой т, совершаю­щего малые колебания под действием уп­ругой силы F=-kx, сила трения про­порциональна скорости, т. е.

 

 

231

где r — коэффициент сопротивления; знак минус указывает на противоположные на­правления силы трения и скорости.

При данных условиях закон движения маятника будет иметь вид

Используя формулу w₀=Ök/m (см. (142.2)) и принимая, что коэффици­ент затухания

d=r/(2m), (146.10)

получим идентичное уравнению (146.1) дифференциальное уравнение затухающих колебаний, маятника:

Из выражений (146.1) и (146.5) вытекает, что маятник колеблется по закону

х=A₀е^-dtcos(wt+j) с        частотой        w=Ö(w²₀-r2/4m²)    (см. (146.4)).

Добротность    пружинного    маятника,

согласно (146.8) и (146.10), Q=1/rÖkm.

2. Свободные затухающие колебания в электрическом  колебательном  контуре.

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний заряда в контуре (при R¹0) имеет вид (см. (143.2))

Учитывая выражение (142.2) и принимая коэффициент затухания

d=R/(2L), (146.11)

дифференциальное уравнение (143.2) можно записать в идентичном уравнению (146.1) виде

Из выражений (146.1) и (146.5) вытекает, что колебания заряда совершаются по закону

Q=Q_me^-dtcos((wt+j)    (146.12)

с частотой, согласно (146.4),

меньшей собственной частоты контура w₀ (см. (143.4)). При R=0 формула (146.13) переходит в (143.4).

Логарифмический декремент затуха­ния определяется формулой (146.7), а до­бротность колебательного контура (см. (146.8))

В заключение отметим, что при увели­чении коэффициента затухания d период затухающих колебаний растет и при d=w₀ обращается в бесконечность, т. е. движе­ние перестает быть периодическим. В дан­ном случае колеблющаяся величина асим­птотически приближается к нулю, когда t®¥. Процесс не будет колебательным. Он называется апериодическим.

Огромный интерес для техники пред­ставляет возможность поддерживать коле­бания незатухающими. Для этого необхо­димо восполнять потери энергии реальной колебательной системы. Особенно важны и широко применимы так называемые ав­токолебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в диссипативной системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем свойства этих колебаний определяются самой системой.

Автоколебания принципиально отлича­ются от свободных незатухающих колеба­ний, происходящих без действия сил, а также от вынужденных колебаний (см. §147), происходящих под действием периодической силы. Автоколебательная система сама управляет внешними воз­действиями, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными пор­циями в нужный момент времени (в такт с ее колебаниями).

Примером автоколебательной системы могут служить часы. Храповой механизм подталкивает маятник в такт с его колеба­ниями. Энергия, передаваемая при этом маятнику, берется либо за счет раскручи-

 

 

232

вающейся пружины, либо за счет опуска­ющегося груза. Колебания воздуха в ду­ховых инструментах и органных трубах также возникают вследствие автоколеба­ний, поддерживаемых воздушной струей. Автоколебательными системами явля­ются также двигатели внутреннего сгора­ния, паровые турбины, ламповый генера­тор и т. д.