Колебания и резонанс

Содержание

Колебания и резонанс (Задание 17)

Семнадцатый номер - первая задача второй части, и оформлять его надо целиком, с обоснованием. Сюжет темы всегда один. Есть колебательная система - груз на пружине, станина станка, кузов вагона, электрический контур, - и есть внешнее воздействие с частотой ω\omega, которую можно менять. В условии дана готовая формула отклика: амплитуда колебаний или сила тока как функция ω\omega. Спрашивают, при какой частоте отклик наибольший.

Формула выглядит устрашающе: дробь, в её знаменателе корень, под корнем квадрат разности и ещё слагаемое. На деле вся конструкция сводится к параболе за три строчки, и производная чаще всего не нужна вовсе.

Как устроена формула отклика

Кривая отклика: один горб и один максимум

Замена, которая делает задачу квадратной

Подкоренное - многочлен четвёртой степени, но ω\omega входит в него только в чётных степенях. Замена u=ω2u = \omega^2 превращает его в обычный квадратный трёхчлен.

Как формула отклика сводится к параболе

Пик стоит не там, где собственная частота

Вершина лежит в точке u0=ω02−b2u_0 = \omega_0^2 - \dfrac{b}{2}, а не в u=ω02u = \omega_0^2. Затухание сдвигает максимум влево от собственной частоты и заодно занижает его: чем больше bb, тем сильнее сдвиг и тем более пологим становится горб.

Чем сильнее затухание, тем ниже и левее пик

Когда числитель тоже зависит от частоты

Бывает, что и сама вынуждающая сила растёт с частотой. Так работает неуравновешенный ротор: чем быстрее вращается, тем сильнее бьёт, - и в числителе появляется ω2\omega^2.

Числитель растёт вместе с квадратом частоты - пик уезжает вправо

Пик при этом уезжает вправо от собственной частоты, а хвост кривой не падает к нулю: на больших частотах амплитуда выходит на постоянный уровень aa.

Колебательный контур: резонанс без сдвига

Резонанс в контуре: реактивные сопротивления сравнялись

Алгоритм решения

Примеры решения

Пример 1. Груз на пружине

Условие: Амплитуда установившихся вынужденных колебаний груза на пружине (в миллиметрах) зависит от циклической частоты ω\omega вынуждающей силы (в радианах в секунду) по формуле

A(ω)=1536(400−ω2)2+288ω2,ω>0A(\omega) = \dfrac{1536}{\sqrt{\left(400 - \omega^2\right)^2 + 288\omega^2}}, \qquad \omega > 0

При какой частоте амплитуда наибольшая и чему она равна?

Пример 2. Колебательный контур

Условие: Действующая сила тока в последовательном контуре (в амперах) зависит от циклической частоты ω\omega по формуле I(ω)=UR2+(ωL−1ωC)2I(\omega) = \dfrac{U}{\sqrt{R^2 + \left(\omega L - \dfrac{1}{\omega C}\right)^2}}, где U=220U = 220 В, R=44R = 44 Ом, L=0,05L = 0{,}05 Гн, C=8⋅10−5C = 8 \cdot 10^{-5} Ф. Какова наибольшая сила тока и при какой частоте она достигается?

Пример 3. Дисбаланс ротора

Условие: Ротор с небольшим дисбалансом вращается с угловой скоростью ω\omega рад/с и раскачивает станину станка. Амплитуда колебаний станины (в миллиметрах) равна

A(ω)=1,5 ω2(400−ω2)2+288ω2,ω>0A(\omega) = \dfrac{1{,}5\,\omega^2}{\sqrt{\left(400 - \omega^2\right)^2 + 288\omega^2}}, \qquad \omega > 0

При какой угловой скорости ротора амплитуда будет наибольшей?

Пример 4. Вагон на стыках рельсов

Условие: Вагон идёт по пути со стыками рельсов через каждые l=25l = 25 м. Амплитуда вертикальных колебаний кузова (в миллиметрах) зависит от периода толчков τ\tau (в секундах) по формуле

A(τ)=4,6(T2τ2−1)2+0,72⋅T2τ2A(\tau) = \dfrac{4{,}6}{\sqrt{\left(\dfrac{T^2}{\tau^2} - 1\right)^2 + 0{,}72 \cdot \dfrac{T^2}{\tau^2}}}

где T=0,8T = 0{,}8 с - период собственных колебаний кузова. При какой скорости вагона амплитуда будет наибольшей? Ответ дайте в километрах в час.

Частые ошибки

Проверь себя
  1. Числитель формулы A(ω)=Cf(ω)A(\omega) = \dfrac{C}{\sqrt{f(\omega)}} постоянен. Когда амплитуда наибольшая?
  2. Для A(ω)=240(100−ω2)2+72ω2A(\omega) = \dfrac{240}{\sqrt{\left(100 - \omega^2\right)^2 + 72\omega^2}} вершина параболы стоит в точке u0u_0, равной
  3. Числитель постоянен, затухание есть. Как частота максимума соотносится с собственной частотой ω0\omega_0?
  4. Чему равна наибольшая сила тока в контуре I(ω)=UR2+(ωL−1ωC)2I(\omega) = \dfrac{U}{\sqrt{R^2 + \left(\omega L - \dfrac{1}{\omega C}\right)^2}}?