Глава 1. Вынужденные колебания

Резонанс

(Реферат). Бушуев М.

Содержание

 

Введение

Глава 1. Вынужденные колебания

.1 Особенности вынужденных колебаний и их примеры

.2 Явление резонанса

Глава 2. Использование колебаний в технике

.1 Свободные колебания

.2 Использование вибрации при литье

.3 Использование колебаний для сортировки сыпучих материалов

Глава 3. Вредные действия колебаний

.1 Качка корабля и успокоители

.2 Колебания экипажей

.3 Антирезонанс

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

Введение

 

Интерес, проявляемый в настоящее время к колебательным процессам, весьма широк и далеко выходит за пределы изучения качаний маятника, как это было в начале XVII века, когда ученые только начали интересоваться колебаниями.

Знакомясь с разнообразными отраслями знаний, наблюдая явления природы, нетрудно убедиться в том, что колебания представляют собой одну из наиболее распространенных форм механического движения. С колебательными движениями мы встречаемся в повседневной жизни и технике: маятник стенных часов совершает периодические качания около отвесного положения, фундамент быстроходной турбины колеблется в такт с оборотами главного вала, кузов железнодорожного вагона качается на рессорах при проходе через стыки рельсов и т. д.

Во всех этих случаях колеблющееся тело совершает периодическое (повторно-возвратное) движение между двумя крайними положениями, проходя через более или менее одинаковые промежутки времени одну и ту же точку то в одном, то в противоположном направлениях.

По современным воззрениям науки звуковые, тепловые, световые, электромагнитные явления, т.е. важнейшие физические процессы окружающего нас мира являются различными видами колебаний.

 

Человеческая речь, являющаяся могущественным средством общения между людьми, связана с колебаниями голосовых связок. Музыка, способная воспроизводить и вызывать у людей сложные эмоции (переживания, ощущения), физически обусловливается так же, как и другие звуковые явления, колебаниями воздуха, струн, пластин и других упругих тел. Колебания играют исключительную роль в таких ведущих отраслях техники, как электричество и радио. Выработка, передача и потребление электрической энергии, телефония, телеграфия, радиовещание, телевидение (передача изображений на расстояние), радиолокация (способ распознавания с помощью радиоволн предметов, находящихся на расстоянии сотен километров) - все эти важные и сложные отрасли техники основаны на использовании электрических и электромагнитных колебаний.

С колебаниями мы встречаемся в живом организме. Биение сердца, сокращение желудка и других органов носят периодический характер.

Строителям и конструкторам приходится считаться с возможностью колебаний различных сооружений и машин. Кораблестроители имеют дело с качкой и вибрацией (колебаниями) корабля. Транспортники интересуются колебаниями вагонов, паровозов, мостов, летчики - колебаниями самолетов. Трудно назвать такую отрасль техники, где колебания не играли бы существенной роли. Разнообразие и богатство форм колебательных процессов очень велико. В одних случаях механические колебания, сопровождающие работу машин, вредны и опасны. В других случаях свойствами и особенностями механических колебаний пользуются в машиностроении и в строительном деле с большой выгодой для различных технических целей.

Предметом исследования данной работы являются вынужденные колебания.

Целью данной курсовой работы: узнать как можно больше о явление резонанса, о последствиях к которым может привести резонанс, и где применяется это явление.

Задача: более глубоко изучить особенности вынужденных колебаний и какую роль они играют в технике.

 

Рис.2 Звуковой резонанс

Явление резонанса

 

Явление, при котором наблюдается резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, называется резонансом.

Резонансная частота определяется из условия максимума для амплитуды вынужденных колебаний:

 

(3)

 

Тогда, подставив это значение в выражение для амплитуды, получим:

 

(4)

При отсутствии сопротивления среды амплитуда колебаний при резонансе обращалась бы в бесконечность; резонансная частота при тех же условиях (b = 0) совпадает с собственной частотой колебаний.

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы (или, что то же самое, от частоты колебаний) можно представить графически (рис. 2). Отдельные кривые соответствуют различным значениям “b”. Чем меньше “b”, тем выше и правее лежит максимум данной кривой (см. выражение для w_рез.). При очень большом затухании резонанс не наблюдается - с увеличением частоты амплитуда вынужденных колебаний монотонно убывает (нижняя кривая на рис. 2).

 

Рис 2. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы

 

Совокупность представленных графиков, соответствующих различным значениям b, называется резонансными кривыми. Замечания по поводу резонансных кривых: при стремлении w®0 все кривые приходят к одному, отличному от нуля значению, равному . Это значение представляет собой смещение из положения равновесия, которое получает система под действием постоянной силы F₀. При w®¥ все кривые асимптотически стремятся к нулю, т.к. при большой частоте сила так быстро изменяет свое направление, что система не успевает заметно сместится из положения равновесия. Чем меньше b, тем сильнее изменяется с частотой амплитуда вблизи резонанса, тем «острее» максимум.

Рис.5 Явление резонанса в последовательном электрическом контуре

Однопараметрическое семейство резонансных кривых, может быть построено, особенно легко с помощью компьютера. Результат такого построения показан на Рис. 3. Переход к «обычным» единицам измерения может быть проведен элементарным изменением масштаба осей координат.

 

Рис. 3. Функция, определяющая величину затухания

 

Частота вынуждающей силы, при которой амплитуда вынужденных колебаний максимальна, также зависит от коэффициента затухания, слегка убывая с ростом последнего. Наконец, подчеркнем, что увеличение коэффициента затухания приводит к существенному увеличению ширины резонансной кривой.

 

Возникающий сдвиг фаз между колебаниями точки и вынуждающей силой также зависит от частоты колебаний и коэффициента их затухания. Более подробно с ролью этого сдвига фаз мы познакомимся при рассмотрении преобразования энергии в процессе вынужденных колебаний.

Вынужденные колебания представляют в некоторых случаях опасность для нормальной работы машин и целости сооружений. Даже незначительная по величине возмущающая сила, действующая периодически на конструкцию, может при определенных условиях оказаться более опасной, чем постоянная сила, которая во много десятков раз больше ее по величине.

Действие колебаний проявляется зачастую не в непосредственной близости от места действия возмущающих сил, как это можно ожидать, а в местах, удаленных от него и даже в системе, непосредственно не связанной с конструкцией, подверженной колебаниям. Так, например. работа машины вызывает колебания как здания, в котором машина помещается, так и здания, расположенного рядом; работа дизеля водокачки может вызвать колебания близко расположенного железнодорожного моста и т.п.

Причиной этих своеобразных явлений служит способность всякого сооружения совершать упругие колебания определенной частоты. Сооружение можно уподобить музыкальному инструменту, способному издавать звуки определенной высоты и отзываться на эти звуки, если они раздаются извне. При действии на сооружение периодической нагрузки с определенной частотой особенно значительные колебания будут возникать в той части сооружения, которая имеет собственную частоту, близкую к этой частоте или кратную ей. Таким образом, в этой части конструкции, даже если она удалена от места приложения нагрузки, может возникнуть явление резонанса. кол

Рис.8 Резонанс в повседневной жизни резонанс техника успокоитель

Это явление наступает тогда, когда частота возмущающей силы равна частоте собственных колебаний системы.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой системы, способной совершать колебания, называется резонансом.

Явление резонанса важно потому, что оно проявляется достаточно часто. С резонансом сталкивался каждый, кто раскачивал, например, ребенка на качелях. Это довольно трудно сделать, если закрыть глаза и беспорядочно толкать качели. Но если найти правильный ритм, то раскачать качели легко. Наибольшего результата, таким образом, можно достичь лишь тогда, когда время между отдельными толчками будет совпадать с периодом колебаний качелей, т.е. выполняется условие резонанса.

С явлением резонанса приходится считаться при конструировании машин и различного рода сооружений. Собственная частота колебаний этих устройств ни в коем случае не должна быть близка к частоте возможных внешних воздействий. Так, например, собственная частота вибраций корпуса корабля или крыльев самолета должна сильно отличаться от частоты колебаний, которые могут возбуждаться при вращении гребного винта корабля или пропеллера самолета. В противном случае возникают вибрации большой амплитуды, которые могут привести к разрушению обшивки и катастрофе. Известны случаи, когда обрушивались мосты при прохождении по ним марширующих колонн солдат. Это происходило потому, что собственная частота колебаний моста оказывалась близкой к частоте, с которой шагала колонна.

Вместе с тем явление резонанса часто оказывается весьма полезным. Благодаря резонансу, например, стало возможным использование ультразвуковых колебаний, т.е. звуковых колебаний большой частоты, в медицине: для разрушения камней, которые иногда образуются в организме человека, для диагностики различных заболеваний. По той же причине ультразвуковые колебания могут убивать некоторые микроорганизмы, в том числе и болезнетворные.

Явление резонанса в электрических цепях при совпадении их собственных частот с частотами электромагнитных колебаний радиоволн позволяет нам при помощи своих приемников принимать теле- и радиопередачи. Это почти единственный метод, позволяющий отделить сигналы одной (нужной) радиостанции от сигналов всех остальных (мешающих) станций. Резонансом при совпадении частоты электромагнитных колебаний с собственными частотами атомов можно объяснить поглощение света веществом. А это поглощение лежит в основе поглощения тепла от Солнца, в основе нашего зрения и даже в основе работы СВЧ-печи.

Однако в слове «резонанс», от латинского resono - откликаюсь, кроется ключ к установлению подобия между весьма разнородными процессами, когда на периодическое внешнее воздействие нечто, способное колебаться, отвечает увеличением размаха собственных колебаний. Иначе говоря, когда малые причины способны привести к большим последствиям.

Выявив эту особенность, вы легко продолжите список примеров и, как это часто бывает, обнаружите как полезные, так и вредные проявления резонанса. Универсальность в описании колебательных процессов, в том числе и резонанса, послужила ученым путеводной звездой при освоении неизведанных ранее областей, например мира микроявлений. А это привело к созданию таких мощных методов исследования строения вещества, как электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс. Еще в античном театре для усиления голоса актера использовались большие глиняные или бронзовые сосуды (прообразы резонаторов Гельмгольца), представляющие собой полости шарообразной или бутылочной формы с узким длинным горлом.

Издревле звонари на колокольнях бессознательно использовали явление резонанса, раскачивая тяжелый колокол незначительными, но ритмичными толчками. А в Кёльнском соборе в свое время был подвешен колокол, качавшийся в фазе со своим языком, что не позволяло извлечь из него никаких звуков. В начале 30-х годов XX века практически все авиаторы столкнулись с загадочным явлением, названным флаттером, когда самолеты в спокойном горизонтальном полете неожиданно начинали вибрировать с такой силой, что разваливались в воздухе на куски. Как выяснилось, флаттер порождался причинами, подобными тем, что вызвал изменения, а увеличение частоты, связанное с ростом скорости, приводит к повышению тона.

Изоляция кабелей, испытанная в лаборатории с помощью постоянного напряжения, порой пробивалась при работе с переменным током. Оказалось, что это происходит при совпадении периода пульсаций тока с периодом собственных электрических колебаний кабеля, что приводило к нарастанию напряжения, многократно превышающего пробойное. Даже в гигантских современных циклотронах - ускорителях заряженных частиц - используется простой принцип, заключающийся в обеспечении резонанса между движением частицы по спиральной траектории и переменным электрическим полем, периодически «подхлестывающим» частицу.

Свободные колебания

 

Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. Любое равномерное вращение является повторяющимся движением: при каждом обороте всякая точка равномерно вращающегося тела проходит те же положения, что и при предыдущем обороте, причем в такой же последовательности и с такой же скоростью.

В действительности не всегда и не при всяких условиях повторение совершенно одинаково. В одних случаях каждый новый цикл очень точно повторяет предыдущий, в других случаях различие между следующими друг за другом циклами может быть заметным. Отклонения от совершенно точного повторения очень часто настолько малы, что ими можно пренебречь и считать движение повторяющимся вполне точно, т.е. считать его периодическим.

Периодическим называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл.

Рис9. Колебания в технике и природе

Продолжительность одного цикла называется периодом. Очевидно, период равномерного вращения равен продолжительности одного оборота.

В природе, и особенно в технике, чрезвычайно большую роль играют колебательные системы, т.е. те тела и устройства, которые сами по себе способны совершать периодические движения. «Сами по себе» - это значит, не будучи принуждаемы к этому действием периодических внешних сил. Такие колебания называются, поэтому свободными колебаниями в отличие от вынужденных, протекающих под действием периодически меняющихся внешних сил.

Всем колебательным системам присущ ряд общих свойств:

. У каждой колебательной системы есть состояние устойчивого равновесия.

. Если колебательную систему вывести из состояния устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение.

. Возвратившись в устойчивое состояние, колеблющееся тело не может сразу остановиться.

Более 20 лет назад вибрирование стали применять при изготовлении бетонной смеси. Это дало возможность облегчить труд укладчиков, повысить производительность труда, уменьшить стоимость бетона и улучшить его качество.

Бетон - один из наиболее распространенных строительных материалов. Он является искусственным камнем, который изготовляется из смеси щебня (мелкого камня), песка, цемента и воды, причем связывающим веществом (клеем) служит цемент. Бетон применяется почти во всех видах строительства - в промышленном, гражданском, гидротехническом, дорожном, мостовом, специальном. Многие сооружения строятся целиком из бетона или железобетона, например, плотины, шлюзы, мосты, дороги, посадочные полосы для самолетов, набережные, элеваторы, промышленные и гражданские здания и др.

Для удобства укладки бетонная смесь должна быть достаточно подвижной. С другой стороны, чтобы получить наиболее плотный и прочный бетон, требуется применение жесткой смеси (с малым содержанием воды). Эта важная техническая задача разрешена благодаря применению вибраторов. Вибратором называют механизм, совершающий частые колебания, которые сообщаются частицам бетонной смеси, и под их влиянием частицы колеблются так, что центр колебаний непрерывно смещается в направлении большего уплотнения. Подвижная бетонная смесь затекает вовсе углы формы и хорошо ее заполняет.

Рис 10. Примеры колебаний в природе и технике

Ведущую роль в деле применения вибрирования бетонной массы занимает у нас гидротехническое строительство. На крупнейшей гидротехнической стройке - Волгострое (1936-1940 гг.) весь объем бетона (более 2 млн. кубических метров) уложен с применением вибрирования.

В настоящее время укладка бетона вибрированием носит массовый характер и является весьма эффективным средством повышения качества материала. Основным преимуществом вибрированного бетона является возможность хорошо уплотнить бетонную смесь с меньшим содержанием воды. Вследствие большой плотности вибрированного бетона последний более стоек против воздействия вредных примесей в атмосфере и в воде, нежели бетон ручной укладки.

Водопоглощение вибрированного бетона составляет только 3% против 7% для трамбованного бетона того же состава. Значительно повышается водонепроницаемость, что имеет громадное значение при устройстве водохранилищ, труб и т.п. Вибрированный бетон более стоек против износа, чем бетон ручной укладки. Это объясняется большей его плотностью. Сцепление с арматурой в вибрированном бетоне на 60-80% лучше, чем при ручной укладке.

Прочность на сжатие при одинаковом расходе цемента на 100% выше. Прочность вибрированного бетона на удар в 1,5-1,9 раза больше прочности трамбованного бетона.

Усадка вибрированного бетона значительно меньше и может достигать 50% от величины усадки бетона ручной кладки. Этим снижается опасность появления трещин. Экономия цемента при переходе на укладку бетонной смеси вибраторами оценивается в пределах от 10 до 25%, что имеет громадное народнохозяйственное значение.

 

Качка корабля и успокоители

 

Очень часто корабли попадают в шторм, вызывая качку всего корабля. Это качание на волнах нередко переходит в катастрофическое разрушение всего корабля, что иногда сопровождается жертвами.

Рис.15 Качка корабля

Для уменьшения боковой качки судна применяют специальные поглотители колебаний. Одним из таких поглотителей являются баки Фрама, напоминающие сообщающиеся сосуды. Поглотитель Фрама размещается внутри корабля и состоит из двух резервуаров, наполовину наполненных водой и соединенных между собой водяным трубопроводом внизу и воздушным трубопроводом с вентилем наверху. При боковой качке корабля будет так же совершать колебания масса воды в успокоителе. В этой колеблющейся системе «пружина» в буквальном смысле слова отсутствует, но зато роль восстанавливающей силы играет сила тяжести, которая всегда стремится возвратить уровень воды в положение равновесия.

Колебания экипажей

Предположим, что передние колеса экипажа (автомобилей, вагонов и т.д.) встречают препятствие на дороге в виде бугорка; произойдет сжатие рессор, которое затем вызовет колебание экипажа. Далее, когда задние колеса достигнут того же препятствия, колеблющемуся экипажу будет дан дополнительный толчок, который вызовет новые колебания. Последние наложатся на первые колебания и результирующее колебательное движение экипажа будет зависеть от промежутка времени между толчками или скорости движения экипажа и длины препятствия на пути. При определенной скорости экипажа могут создаться неблагоприятные условия, способствующие появлению резонанса. Но для смягчения применяются амортизаторы.

Рис16. Колебания экипажей

Антирезонанс

 

Также широко используется антирезонанс. Например, в электрических сетях ставят так называемые разгрузочные конденсаторы, которые ликвидируют реактивные токи. Они возникают при спонтанном резонансе, когда энергия магнитного поля начинает колебаться между электростанцией и потребителем. Чтобы устранить эти токи, в цепь последовательно включают конденсаторы - энергия начинает колебаться между ними и станцией, в результате потери мощности становятся во много раз меньше. Нечто подобное делают в доменных печах и других сооружениях, где реактивные токи могут вызвать большие потери. Делают это из чисто экономических соображений, никаких новых физических эффектов в антирезонансе нет.

Заключение

Колебанием называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл. Продолжительность одного цикла называется периодом.

Частотой называется количество циклов, совершаемые колеблющимся телом за единицу времени. У каждой колебательной системы есть состояние устойчивого равновесия. Если колебательную систему вывести из состояния устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение. Возвратившись в устойчивое состояние, колеблющееся тело не может сразу остановиться.

Свободными колебаниями называются колебания тела, на которое не действует периодически изменяющаяся сила, и наоборот, если на колеблющееся тело действует периодически изменяющаяся сила, то это вынужденные колебания. Если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, то происходит резонанс.

Резонансом называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при равенстве частот вынуждающей силы и собственной частоты колебательной системы. Колебание, какое совершает при равномерном движении точки по окружности проекция этой точки на какую-либо прямую, называется гармоническим (или простым) колебанием. Если речь идет о механических колебаниях, т.е. о колебательных движениях какой-либо твердой, жидкой или газообразной среды, то распространение колебаний означает передачу колебаний от одних частиц среды к другим. Передача колебаний обусловлена тем, что смежные участки среды связанны между собой.

Неслышимые механические колебания с частотами ниже звукового диапазона называются инфразвуковыми, а с частотами выше звукового диапазона называются ультразвуковыми.

Колебания играют большую роль в нашей жизни. Как сказал американский физик Ричард Фейнман «В природе очень часто что-нибудь «колеблется» и так же часто наступает резонанс».

Рис19 Ричард Фейнман

Своей целью я поставил узнать как можно больше о явление резонанса, о последствиях к которым может привести резонанс, и где применяется это необычное явление.

Я узнал, что такое явление резонанса, где оно встречается в жизни, когда оно бывает полезным и вредным, каким образом можно избавиться от вредного проявления резонанса - можно создавать конструкции, не разрушающиеся при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы.

Как можно усилить весьма слабые колебания. Явление резонанса широко применяется в таких науках как биология, сейсмология, астрономия, физика и т.д. Без явления резонанса невозможно было бы играть на пианино, скрипке, гитаре и других инструментах, вошедших в нашу жизнь. Изучать колебания важно, потому что это часть нашей жизни, на каждом шагу мы можем их встретить.

 

 

Резонанс

(Реферат). Бушуев М.

Содержание

 

Введение

Глава 1. Вынужденные колебания

.1 Особенности вынужденных колебаний и их примеры

.2 Явление резонанса

Глава 2. Использование колебаний в технике

.1 Свободные колебания

.2 Использование вибрации при литье

.3 Использование колебаний для сортировки сыпучих материалов

Глава 3. Вредные действия колебаний

.1 Качка корабля и успокоители

.2 Колебания экипажей

.3 Антирезонанс

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

Введение

 

Интерес, проявляемый в настоящее время к колебательным процессам, весьма широк и далеко выходит за пределы изучения качаний маятника, как это было в начале XVII века, когда ученые только начали интересоваться колебаниями.

Знакомясь с разнообразными отраслями знаний, наблюдая явления природы, нетрудно убедиться в том, что колебания представляют собой одну из наиболее распространенных форм механического движения. С колебательными движениями мы встречаемся в повседневной жизни и технике: маятник стенных часов совершает периодические качания около отвесного положения, фундамент быстроходной турбины колеблется в такт с оборотами главного вала, кузов железнодорожного вагона качается на рессорах при проходе через стыки рельсов и т. д.

Во всех этих случаях колеблющееся тело совершает периодическое (повторно-возвратное) движение между двумя крайними положениями, проходя через более или менее одинаковые промежутки времени одну и ту же точку то в одном, то в противоположном направлениях.

По современным воззрениям науки звуковые, тепловые, световые, электромагнитные явления, т.е. важнейшие физические процессы окружающего нас мира являются различными видами колебаний.

 

Человеческая речь, являющаяся могущественным средством общения между людьми, связана с колебаниями голосовых связок. Музыка, способная воспроизводить и вызывать у людей сложные эмоции (переживания, ощущения), физически обусловливается так же, как и другие звуковые явления, колебаниями воздуха, струн, пластин и других упругих тел. Колебания играют исключительную роль в таких ведущих отраслях техники, как электричество и радио. Выработка, передача и потребление электрической энергии, телефония, телеграфия, радиовещание, телевидение (передача изображений на расстояние), радиолокация (способ распознавания с помощью радиоволн предметов, находящихся на расстоянии сотен километров) - все эти важные и сложные отрасли техники основаны на использовании электрических и электромагнитных колебаний.

С колебаниями мы встречаемся в живом организме. Биение сердца, сокращение желудка и других органов носят периодический характер.

Строителям и конструкторам приходится считаться с возможностью колебаний различных сооружений и машин. Кораблестроители имеют дело с качкой и вибрацией (колебаниями) корабля. Транспортники интересуются колебаниями вагонов, паровозов, мостов, летчики - колебаниями самолетов. Трудно назвать такую отрасль техники, где колебания не играли бы существенной роли. Разнообразие и богатство форм колебательных процессов очень велико. В одних случаях механические колебания, сопровождающие работу машин, вредны и опасны. В других случаях свойствами и особенностями механических колебаний пользуются в машиностроении и в строительном деле с большой выгодой для различных технических целей.

Предметом исследования данной работы являются вынужденные колебания.

Целью данной курсовой работы: узнать как можно больше о явление резонанса, о последствиях к которым может привести резонанс, и где применяется это явление.

Задача: более глубоко изучить особенности вынужденных колебаний и какую роль они играют в технике.

 

Рис.2 Звуковой резонанс

Глава 1. Вынужденные колебания

.1 Особенности вынужденных колебаний и их примеры

 

Вынужденными называются такие колебания, которые возникают в колебательной системе под действием внешней периодически изменяющейся силы. Эта сила, как правило, выполняет двоякую роль: во-первых, она раскачивает систему и сообщает ей определенный запас энергии; во-вторых, она периодически восполняет потери энергии (расход энергии) на преодоление сил сопротивления и трения.

Пусть вынуждающая сила изменяется со временем по закону:

 

 

Составим уравнение движения для системы, колеблющейся под воздействием такой силы. Предполагаем, что на систему также действует квазиупругая сила и сила сопротивления среды (что справедливо в предположении малости колебаний). Тогда уравнение движения системы будет иметь вид:

 

или

 

Проведя подстановки , , - собственная частота колебаний системы, получим неоднородное линейной дифференциальное уравнение 2^го порядка:

 

Из теории дифференциальных уравнений известно, что общее решение неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения.

Общее решение однородного уравнения известно:

 

,

 

где ;₀ и a - произвольные const.

Далее предположим, что частное (не содержащее произвольных констант) решение неоднородного уравнения имеет вид

 

 

С помощью векторной диаграммы можно убедиться, что такое предположение справедливо, а также определить значения “a” и “j”.

Амплитуда колебаний определяется следующим выражением:

 

.

 

Значение “j”, которое представляет собой величину отставания по фазе вынужденного колебания от обусловившей его вынуждающей силы , также определяется из векторной диаграммы и составляет:

 

Окончательно, частное решение неоднородного уравнения примет вид:

 

(1)

 

Эта функция в сумме дает общее решение неоднородного дифференциального уравнения, описывающего поведение системы при вынужденных колебаниях. Слагаемое (2) играет заметную роль в начальной стадии процесса, при так называемом установлении колебаний (рис. 1). С течением времени из-за экспоненциального множителя роль второго слагаемого (2) все больше уменьшается, и по прошествии достаточного времени им можно пренебречь, сохраняя в решении лишь слагаемое (1).

 

(2)

 

Рис 1. Стадии процесса, при установлении колебаний

 

Таким образом, функция (1) описывает установившиеся вынужденные колебания. Они представляют собой гармонические колебания с частотой равной частоте вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна амплитуде вынуждающей силы. Для данной колебательной системы (определенных w₀ и b) амплитуда зависит от частоты вынуждающей силы. Вынужденные колебания отстают по фазе от вынуждающей силы, причем величина отставания “j” также зависит от частоты вынуждающей силы.

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы приводит к тому, что при некоторой определенной для данной системы частоте амплитуда колебаний достигает максимального значения. Колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие вынуждающей силы при этой частоте. Это явление называется резонансом, а соответствующая частота - резонансной частотой.

В целом ряде случаев колебательная система совершает колебания под действием внешней силы, работа которой периодически возмещает потерю энергии на трение и другие сопротивления. Частота таких колебаний зависит не от свойств самой колеблющейся системы, а от частоты изменения периодической силы, под действием, которой система совершает свои колебания. В этом случае мы имеем дело с вынужденными колебаниями, т. е. с колебаниями, навязанными нашей системе действием внешних сил.

Источники возмущающих сил, следовательно, и вынужденных колебаний, весьма разнообразны.

Остановимся на характере возмущающих сил, встречающихся в природе и в технике. Как уже указывалось, электрические машины, паровые или газовые турбины, быстровращающиеся маховики и т.д. из-за несбалансированности вращающихся масс вызывают колебания роторов, перекрытий фундаментов зданий и т.д. Поршневые машины, к которым относятся двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, из-за происходящего возвратно-поступательного движения некоторых частей (например, поршня), выхлопа газов или пара, являются источником периодических возмущающих сил.

Обычно возмущающие силы увеличиваются с ростом числа оборотов машины, поэтому исключительно важное значение приобретает борьба с вибрациями в быстроходных машинах. Она осуществляется часто путем создания специального упругого фундамента или устройством упругой подвески машины. Если машина жестко укреплена на фундаменте, то возмущающие силы, действующие на машину, почти целиком передаются на фундамент и далее через грунт на здание, в котором машина установлена, а также на рядом расположенные сооружения.

Для того чтобы уменьшить действие неуравновешенных сил на основание, необходимо, чтобы собственная частота колебаний машины на упругом основании (прокладке) была значительно ниже частоты возмущающих сил, определяемой числом оборотов машины.

Причиной вынужденных колебаний судна, качки кораблей являются волны, набегающие периодически на плавающее судно. Кроме качки корабля в целом под действием волнения воды, наблюдаются также вынужденные колебания (вибрация) отдельных частей корпуса судна.

Рис.3 Размах качки судна

Причиной таких вибраций является неуравновешенность главного двигателя судна, вращающего гребной винт, а также вспомогательных механизмов (насосов, динамо-машин и т.п.). Во время работы судовых механизмов возникают силы инерции неуравновешенных масс, частота повторения которых зависит от числа оборотов машины. Кроме того, вынужденные колебания судна могут быть вызваны периодическим воздействием лопастей гребного винта на корпус судна.

Вынужденные колебания моста могут быть вызваны идущей по нему в ногу группой людей. Колебания железнодорожного моста могут возникнуть под действием спарников, соединяющих ведущие колеса проходящего паровоза. К причинам, вызывающим вынужденные колебания подвижного железнодорожного состава (электровоза, паровоза или тепловоза, и вагонов), относятся периодически повторяющиеся удары колес о стыки рельсов. Вынужденные колебания автомобилей вызываются повторяющимися ударами