第講機(jī)械振動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念
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1、第43講:機(jī)械振動(dòng) 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念 內(nèi)容:14-1, 14—2 1 .簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) (50分鐘) 2 .描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量 (50分鐘) 要求: 1 .掌握描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特征量 一一振幅、周期、頻率、相位的物理意義, 并能熟練地確定振動(dòng)系統(tǒng)的特征量,從而建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程; 2 .掌握描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矢量方法與圖示法的特點(diǎn), 并會(huì)應(yīng)用于簡(jiǎn)諧 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的討論與分析。 重點(diǎn)與難點(diǎn): 1 .簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程; 2 .振幅與初相位的確定; 作業(yè): 問(wèn)題:P35: 1, 2, 7, 8 習(xí)題:P37: 2, 5, 8, 11 預(yù)習(xí): 14-3, 14
2、-4, 14-5 第43講 機(jī)械振動(dòng)一一簡(jiǎn)諧振動(dòng)的基本概念 第十四章機(jī)械振動(dòng) 引言: 1 .什么是振動(dòng)(Vibration) 振動(dòng)是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域常見(jiàn)的一種運(yùn)動(dòng),廣泛存在于機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電 磁運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、原子運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式之中。從狹義上說(shuō),通常把具有時(shí)間周 期性的運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。如鐘擺、發(fā)聲體、開(kāi)動(dòng)的機(jī)器、行駛中的交通工具都有 機(jī)械振動(dòng)。廣義地說(shuō),任何一個(gè)物理量在某一數(shù)值附近作周期性的變化,都稱 為振動(dòng)。變化的物理量稱為振動(dòng)量,它可以是力學(xué)量,電學(xué)量或其它物理量。 例如:交流電壓、電流的變化、無(wú)線電波電磁場(chǎng)的變化等等。 2 .什么是機(jī)械振動(dòng)(Mechanical Vibra
3、tion) 機(jī)械振動(dòng)是最直觀的振動(dòng),它是物體在一定位置附近的來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng), 如活塞的運(yùn)動(dòng),鐘擺的擺動(dòng)等都是機(jī)械振動(dòng)。 3 .研究機(jī)械振動(dòng)的意義 不同類型的振動(dòng)雖然有本質(zhì)的區(qū)別,但是僅就振動(dòng)過(guò)程而言,振動(dòng)量 隨時(shí)間的變化關(guān)系,往往遵循相同的數(shù)學(xué)規(guī)律,從而使得不同本質(zhì)的 振動(dòng)具有相同的描述方法。 振動(dòng)是自然界及人類生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生的一種普遍運(yùn)動(dòng)形式,研究 機(jī)械振動(dòng)的規(guī)律也是學(xué)習(xí)和研究其它形式的振動(dòng)以及波動(dòng)、無(wú)線電技 術(shù)、波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)。 4 .機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn) (1)有平衡點(diǎn)。 (2)且具有重復(fù)性,即具有周期性。 5 .機(jī)械振動(dòng)的分類 (1)按振動(dòng)規(guī)律分:簡(jiǎn)諧、非簡(jiǎn)諧、隨機(jī)振動(dòng)
4、。 (2)按產(chǎn)生振動(dòng)原因分: 自由、受迫、自激、參變振動(dòng)。 (3)按自由度分: 單自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)振動(dòng)。 (4)按振動(dòng)位移分:角振動(dòng)、線振動(dòng)。 (5)按系統(tǒng)參數(shù)特征分:線性、非線性振動(dòng)。 簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最基本的振動(dòng),存在于許多物理現(xiàn)象中。本章主要研究簡(jiǎn)諧振 動(dòng)的規(guī)律,也簡(jiǎn)單介紹阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振等。 本章內(nèi)容有: 14—1簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 14-2簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅、周期(頻率)與相位 14—3旋轉(zhuǎn)矢量 14 — 4單擺與復(fù)擺 14—5簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量 14—6簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的合成 14—7阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振 14- 1簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) Simple Harmonic V
5、ibration 在一切振動(dòng)中,最簡(jiǎn)單和最基本的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)量按正弦函 數(shù)或余弦函數(shù)的規(guī)律隨時(shí)間變化。任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可以看成是若干簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 的合成。本節(jié)以彈簧振子為例討論簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特征及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 一、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念: 1M 1 .彈簧振子: 輕質(zhì)彈簧(質(zhì)量不計(jì))一端固定, 另一端系一質(zhì)量為 m的物體,置于光 ㈤ 滑的水平面上。物體所受的阻力忽略 ’ 不計(jì)。設(shè)在 。點(diǎn)彈簧沒(méi)有形變,此處 物體所受的合力為零,稱 。點(diǎn)為平衡 位置。系統(tǒng)一經(jīng)觸發(fā),就繞平衡位置 作來(lái)回往復(fù)的周期性運(yùn)動(dòng)。這樣的運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)叫做彈簧振子(harmonic Oscillator 2 .
6、彈簧振子運(yùn)動(dòng)的定性分析: 考慮物體的慣性和作用在物體上的彈性力: B 一。彈性力向左,加速度向左,加速, O 一 C:彈性力向右,加速度向右,減速, C 一。彈性力向右,加速度向右,加速, O 一 B:彈性力向左,加速度向左,減速, 物體在B、C之間來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 結(jié)論:物體作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件: [ I I ? 4 ! 1 1 ),它是一個(gè)理想化的模型。 。點(diǎn),加速度為零,速度最大; C點(diǎn),加速度最大,速度為零; 。點(diǎn),加速度為零,速度最大; B點(diǎn),加速度最大,速度為零。 物體的慣性 阻止系統(tǒng)停留在平衡位置 9 作用在物體上的彈性力一一驅(qū)使系統(tǒng)回復(fù)到平衡位置 二、
7、彈簧振子的動(dòng)力學(xué)特征: 1 .線性回復(fù)力 IAWvW 分析彈簧振子的受力情況。 取平衡位置。點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),水平向右為X軸 的正方向。由胡克定律可知,物體m (可視為質(zhì)點(diǎn))在坐標(biāo)為x (即相對(duì)于。點(diǎn)的 位移)的位置時(shí)所受彈簧的作用力 為 f=-kx 式中的比例系數(shù) k為彈簧的勁度 系數(shù)(Stiffness),它反映彈簧的固 有性質(zhì),負(fù)號(hào)表示力的方向與位移 的方向相反,它是始終指向平衡位置的。離平衡位置越遠(yuǎn),力越大;在平衡位 置力為零,物體由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。這種始終指向平衡位置的力稱為回復(fù)力。 2 .動(dòng)力學(xué)方程及其解 根據(jù)牛頓第二定律, f=ma 可得物體的加速度為 對(duì)于給定
8、的彈簧振子, 2— k m 則上式可以改寫(xiě)為 a m和k均為正值常量,令 2x d 2x dt2 2x d2x dt2 2x = 0 這就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的微分方程。 三、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征: 1 .簡(jiǎn)諧振動(dòng)的表達(dá)式(運(yùn)動(dòng)學(xué)方程) 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的微分方程的解具有正弦、余弦函數(shù)或指數(shù)形式。我們采用余弦 函數(shù)形式,即 x Acos( t ) 這就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,式中 A和。是積分常數(shù)。 說(shuō)明: 1)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)不僅是周期性的, 而且是有界的,只有正弦函數(shù)、 余弦函數(shù)或 它們的組合才具有這種性質(zhì),這里我們采用余弦函數(shù)。 2)考慮三角函數(shù)與復(fù)數(shù)的關(guān)系 ei cos
9、 i sin ,則x Aei( ‘)。用 復(fù)數(shù)表示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算比較簡(jiǎn)單。 減速 加速 減速 加速 2 .簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的速度和加速度 將簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程分別對(duì) 時(shí)間求一階和二階導(dǎo)數(shù),可得簡(jiǎn)諧運(yùn) 動(dòng)的速度和加速度為 dx v Asin( t ) dt d 2x 2 A ,,、 a ——2 A cos( t ) dt 說(shuō)明: 物體在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),其位移、速度、加速度都是周期性變化的。 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)不僅是周期性的,而且是有界的 一一只有正弦函數(shù)、余弦函數(shù)或 它們的組合才具有這種性質(zhì)一一采用余弦函數(shù)。 二、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn): 1 .從受力角度來(lái)看一一動(dòng)力學(xué)特征 合
10、外力f=-kx與物體相對(duì)于平衡位置的位移成正比,方向與位移的方向相 反,并且總是指向平衡位置的。此合外力又稱為線形回復(fù)力或準(zhǔn)彈性力。 2 .從加速度角度來(lái)看一一運(yùn)動(dòng)學(xué)特征 加速度a 2x與物體相對(duì)于平衡位置的位移成正比,方向與位移的方 向相反,并且總是指向平衡位置的。 3 .從位移角度來(lái)看: Wx~~Acos( t )是時(shí)間的周期性函數(shù)。 說(shuō)明: 1)要證明一個(gè)物體是否作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng), 只要證明上面三個(gè)式子中的一個(gè)即可, 且 由其中的一個(gè)可以推出另外兩個(gè); 2)要證明一個(gè)物體是否作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)單的方法就是受力方析, 得到物體所受 的合外力滿足回復(fù)力的關(guān)系。 例題:一個(gè)輕質(zhì)彈
11、簧豎直懸掛,下端掛一質(zhì)量為 m的物體。今將物體向下拉一 段距離后再放開(kāi),證明物體將作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。 證明:取物體平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn),豎直向下為 x軸的正方向,如 圖所示。物體在平衡位置時(shí)所受的合力為零,即 mg-kl=0 (1) 其中mg為物體的重力,l為物體平衡時(shí)彈簧的伸長(zhǎng)量。 在任一位置x處,物體所受的合力為 F=mg-k(x+l) (2) 比較(1)、(2)可得 F=-kx (3) 可見(jiàn)物體所受的合外力與位移成正比, 而方向相反,所以該物體將 作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。 14-2簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅、周期和相位 Amplitude , Period and Frequency , Ph
12、ase of Simple harmonic Vibration 現(xiàn)在我們討論簡(jiǎn)諧振動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 x=Acos( 31+())中的A、3、cot+ j ())的 物理意義。它們分別是描述諧振動(dòng)的特征量: 振幅、頻率和周期、相位和初相。 振幅、周期和相位等都是描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量。 一、振幅A(Amplitude)一反映振動(dòng)幅度的大小 引入:在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式中,因?yàn)橛嘞一蛘液瘮?shù)的絕對(duì)值不能大于 1, 所以物體的振動(dòng)范圍為 +A與-A之間。 定義:作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體離開(kāi)平衡位置的最大位移的絕對(duì)值。 說(shuō)明:(1)A恒為正值,單位為米(m); (2)振幅的大小與振動(dòng)系統(tǒng)的能量有關(guān),
13、由系統(tǒng)的初始條件確定。 二、周期T(Period)與頻率(Frequency)一反映振動(dòng)的快慢 1.周期 Period 定義:物體作一次完全振動(dòng)所需的時(shí)間,用 T表示,單位為秒(s)o x Acos( t ) Acos[ (t T) ] 考慮到余弦函數(shù)的周期性,有 T=2 2 因而有 T —— 2 .頻率 Frequency 定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體所作的完全振動(dòng)的次數(shù),用V表示,單位為赫茲 (Hz)。 1 T 2 3 .圓頻率 Angular Frequency 定義:物體在2兀秒時(shí)間內(nèi)所作的完全振動(dòng)的次數(shù),用3表示,單位為弧度 /秒 (rad. s-1 或 s-1)
14、。 2 2 T 說(shuō)明: 1)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本特性是它的周期性; 2)周期、頻率或圓頻率均有振動(dòng)系統(tǒng)本身的性質(zhì)所決定,故稱之為固有周期、 固有頻率或固有圓頻率。 3) 對(duì)于彈簧振子, , T 2 m 2 m ■ k 4)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式可以表示為 2 x Acos( t ) Acos(—t ) Acos(2 t ) 三、相位(Phase)一反映振動(dòng)的狀態(tài) 1.相位 質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用該時(shí)刻的位置和速度來(lái)描述。對(duì)于作簡(jiǎn) 諧運(yùn)動(dòng)的物體來(lái)說(shuō),位置和速度分別為 x=Acos( t+ 汴Dv=-coAsin( t+ ),當(dāng)振 幅A和圓頻率3給定時(shí),物
15、體在t時(shí)刻的位置和速度完全由 t+來(lái)確定。即t+ 是確定簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量,稱之為相位。 相位(墳+ 4)是決定諧振子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要物理量 cot+ 4和A, 3 一起 決定t時(shí)刻物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即位移 X,速度V,和加速度a. 在一次全振動(dòng)中,諧振子有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 分別與0?2內(nèi)的一個(gè)相位 值對(duì)應(yīng)。例如: t x V t+ 0 A 0 T/4 A T/2 A T A 0 2 在t=0時(shí),相位為 也稱為初相位,簡(jiǎn)稱初相,它是決定初始時(shí)刻物體運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)的物理量。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō),開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)刻不同,初始狀態(tài)就 不同,與之對(duì)
16、應(yīng)的初相位就不同,即初相位與時(shí)間零點(diǎn)的選擇有關(guān)。 結(jié)論:對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),若 A、3、。已知,就可以寫(xiě)出完整的運(yùn)動(dòng)方程, 即掌握了該運(yùn)動(dòng)的全部信息。因此,我們把 A、3、。叫做描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的三 個(gè)特征量。 3.相位差: 定義:兩個(gè)振動(dòng)在同一時(shí)刻的相位之差或同一振動(dòng)在不同時(shí)刻的相位之差。 對(duì)于同頻率簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、同時(shí)刻的相位差 x1 A1cos( t 1) x2 A2 cos( t 2) 相位差 =(t 2)( t 1) 2 1 即兩個(gè)同頻率的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)在任意時(shí)刻的相位差是恒定的。且始終等于它們的初 始相位差。 說(shuō)明: 1) 0 質(zhì)點(diǎn)2的振動(dòng)超前質(zhì)點(diǎn)1的振動(dòng) 0 質(zhì)點(diǎn)2的振
17、動(dòng)落后質(zhì)點(diǎn)1的振動(dòng) 2) 2k ,k 0,1,2,...., 同相(步調(diào)相同) (2k 1) ,k 0,1,2,...., 反相(步調(diào)相反) 小結(jié):對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),若振幅、周期和初相位已知,就可以寫(xiě)出完整的運(yùn) 動(dòng)方程,即掌握了該運(yùn)動(dòng)的全部信息,因此我們把振幅、周期和初相位叫做描 述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的三個(gè)特征量。 四、積分常數(shù)A和。的確定: 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為 x=Acos( t+ ) 其中圓頻率是由系統(tǒng)本身的性質(zhì)確定的, 積分常數(shù)A和。是求解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 的微分方程是引入的,其值有初始條件(即在 t=0時(shí)物體的位移與速度)來(lái)確 定。將t=0代入位移和速度的公式, 即得物體在初始時(shí)刻的位
18、移 X0和初速度V0: x0 Acos v0 A sin 由此可解得 2 Vo tg Vo Xo (或o和2兀)之間; ,般來(lái)說(shuō)有兩個(gè)值,還要有初始條件來(lái)判斷應(yīng) 說(shuō)明: 1) 一般來(lái)說(shuō) 。的取值在一兀和兀 2)在應(yīng)用上面的式子求。時(shí), 該取哪個(gè)值; 3)常用方法:由A= |x; Vo 然后由 xo Acos 兩者的共同 Vo A sin k=o.72N/m o.o4m處釋放。 ,物體的質(zhì)量為m=2og。 求振動(dòng)方程。 部分求力。 例1: 一彈簧振子系統(tǒng),彈簧的勁度系數(shù)為 今將物體從平衡位置沿桌面
19、向右拉長(zhǎng)到 解:要確定彈簧振子系統(tǒng)的振動(dòng)方程,只要確定 由題可知,k=o.72N/m , m=2og=o.o2kg , xo=o.o4m , vo= o, 代入公式可得 _ k o.72 , 1 6rad s ,m , o.o2 “2 o2 ” o.o42 2 oQ4m 62 又因?yàn)閤o為正,初速度 因而簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方程為: vo = o,可得 o x o.o4cos(6t) (m) 例2.已知某質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng), 振動(dòng)曲線如圖所示, 試根據(jù)圖中數(shù)據(jù)寫(xiě)出振動(dòng)表達(dá)式。 解:設(shè)振動(dòng)表達(dá)式為 x Acos( t ) 由圖可見(jiàn):A=2m ,當(dāng)t=o時(shí),有 xo 2 cos Vo 2 sin (1) (2) 由(1)可得 (2)可知sin o,所以只能取 當(dāng)t=1s時(shí), Xi 2 cos 一 4 (3) 由(3)可得 Vi 2 sin (4) 一,由(4) 2 sin o,取 一一,因而 4 2 3 可得 — 4 所以振動(dòng)方程為 x 2 cos(3 4 (m)
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