节 振动与波动.pptx
《节 振动与波动.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《节 振动与波动.pptx(94页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、一、简谐振动的振动方程 弹簧振子:弹簧物体系统 平衡位置:弹簧处于自然状态的稳定位置轻弹簧质量忽略不计物体可看作质点 简谐振动微分方程8.1简谐振动简谐振动第1页/共94页单摆结论:单摆的小角度摆动振动是简谐振动。角频率,振动的周期分别为:摆球对C C点的力矩第2页/共94页其通解为:简谐振动的运动学方程简谐振动的微分方程简谐振动的运动学方程或叫振动方程速度方程加速度方程第3页/共94页简谐振动的特征量振幅 A:简谐振动物体离开平衡位置的最大位移(或角位移)的绝对值。频率:角频率:周期T T:物体完成一次全振动所需时间。单位时间内振动的次数。第4页/共94页对弹簧振子单摆固有周期、固有频率、固
2、有角频率 是t t=0=0时刻的相位初相位相位和相位差相位和相位差相位 决定谐振动物体的运动状态第5页/共94页 同相和反相(同频率振动)当 =2k 两振动步调相同,称同相。当 =(2k+1)两振动步调相反 ,称反相。xto同相同相Tx1A1x2A2xto反相反相Tx1A1x2 A2第6页/共94页 超前和落后若 =2-1 0,则 称 x2 比 x1 超前 (或 x1 比 x2 落后 )。由初始条件求振幅和初相位 t xOA1-A1x1-A2A2x2第7页/共94页例已知A=0.12m,T=2s,一物体沿x轴作简谐振动,振幅为0.12m,周期为2s。当t=0时,位移为0.06m,且向x轴正方向
3、运动。求(1)初相;(2)t=0.5s时,物体的位置、速度和加速度;(3)在x=-0.06m处,且向x轴负向方向运动。物体从这一状态回到平衡位置的最短时间。解设其运动方程为则速度和加速度分别为则速度和加速度分别为第8页/共94页当t=0时,当t=0.5s时第9页/共94页(3)由于三角函数具有周期性,取第一个周期即可。设设当物体在0.06m,且向x轴负向方向运动对应的时刻为t1,平衡位置对应的时刻为t2,则第10页/共94页如图m=210-2kg,弹簧的静止形变为 l=9.8cm,t=0时,x0=9.8cm,v0=0 确定平衡位置 mg=k l 取为原点令向下有位移 x,则回复力XOxm例求
4、取开始振动时为计时零点,写出振动方程;(2)若取x0=0,v00为计时零点,写出振动方程,并计算振动频率。解作谐振动 设其方程为第11页/共94页由初条件得由x0=0.098m振动方程为:(2)按题意 t=0 时 x0=0,v00对同一谐振动计时起点不同,不同,但、A不变固有频率XOxm第12页/共94页二、简谐振动的旋转矢量表示法 t=0 x t+t=tox第13页/共94页用旋转矢量表示相位关系 同相反相第14页/共94页谐振动的位移、速度、加速度之间的位相关系a vTxtoT/4T/4第15页/共94页由图可见:x t+o 超前超前第16页/共94页已知某简谐振动的 速度与时间的关系曲线
5、如图所示.方法1:设振动方程为例求其振动方程。解或第17页/共94页第18页/共94页故振动方程为方法2:用旋转矢量法辅助求解。或第19页/共94页v的旋转矢量与v轴夹角表示t 时刻相位由图知第20页/共94页例由图可知求一物体沿X轴作简谐振动,振幅为0.12m,周期为2s。当t=0时,位移为0.06m,且向x轴正方向运动。(2)在x=-0.06m处,且向x轴负向方向运动时,物体从这一位置回到平衡位置所需的最短时间 (1)初相;由图可知(1)图解(2)图第21页/共94页以弹簧振子为例某一时刻,谐振子速度为v,位移为x三、简谐振动的能量机械能(简谐振动系统机械能守恒)第22页/共94页由起始能
6、量求振幅EptoETxotEk第23页/共94页四、简谐振动的合成同方向同频率简谐振动的合成分振动:合振动:结论:合振动合振动 x 仍是简谐振动仍是简谐振动第24页/共94页合振动是简谐振动,其频率仍为 合振动 :旋转矢量法第25页/共94页若 A1=A2,则 A=0讨论若两分振动同相:若两分振动反相:合振动加强合振动减弱第26页/共94页合振动不是简谐振动式中随t t 缓变随t t 快变合振动可看作振幅缓变的简谐振动同方向不同频率简谐振动的合成分振动合振动合振动当 2 1时,第27页/共94页拍:合振动忽强忽弱的现象拍频 :单位时间内强弱变化的次数 =|2 2-1 1|xt tx2t tx1
7、t t第28页/共94页消去参数t得合振动的轨迹方程分振动互相垂直的简谐振动的合成同频率简谐振动的合成讨论讨论当第29页/共94页质点离开平衡位置的位移质点离开平衡位置的位移当第30页/共94页质点沿椭圆的运动方向是顺时针的。当当质点沿椭圆的运动方向是逆时针的。第31页/共94页 =0 =/2 =3/4 =/4 =5/4 =3/2 =7/4时,逆时针方向转动。时,顺时针方向转动。=第32页/共94页李萨如图形不同频率的简谐振动的合成第33页/共94页8.2 相平面相平面 相空间相空间 一、广义坐标 广义速度 在经典力学中,一个自由质点的运动状态可以用6 6个变量(x,y,z,vx,vy,vz)
8、描述,一般来讲,一个力学系统的运动状态,可以用n个广义坐标qi 和n个相应的广义速度pi 共2n 个变量描述。二、相平面 相空间以(qi,pi)为坐标,可以构建一个2n(n 为力学系统的独立变量的数目)维的状态空间。这个状态空间称为相空间.相空间:第34页/共94页当然如果力学系统只有两个变量,相空间就简化为相平面。相平面:相平面、相空间中的“相”是指物体的运动状态。相空间的每一点称为相点,对应力学系统的一个状态;状态空间的每一曲线称为相轨迹或相图,对应力学系统一种可能的状态变化过程。以位置和速度作为坐标参量构建的平面或新的空间,是最简单的相平面或相空间。如某质点作直线运动,其坐标为x、速度为
9、坐标,建立一个平面坐标系Oxy,就是最简单的相平面以(x,y)第35页/共94页相平面中的一个点M(x,y),对应一个运动状态,M 称为相点。在相平面中相点的运动轨迹就是相图,一般是一条光滑的曲线。相点相轨迹以简谐振子为例,来分析讨论相图的实际应用。简谐振子的位移、速度和加速度分别为第36页/共94页常数C C由初始条件决定。以x和y为轴,可建立相平面Oxy。简谐振子的相图研究谐振子的位移、速度随时间的变化,就可以得到一系列点,继而可描绘出一条曲线相轨迹。对于一定的C值,相轨迹是一个椭圆,如图所示。从位移、速度公式中消去时间t,得第37页/共94页按C值的不同,可得到一族大小不同的椭圆。从相轨
10、迹中,可以看出简谐振子的所有相轨迹都是闭合曲线。相点沿闭合曲线运行了一周,又回到原先的运动状态因此可以断定,所有的椭圆相轨迹都对应着一个周期运动,其周期是一个有限值。在相平面上的O点处,物体运动的速度和加速度均为零,相平面上这样的点对应着一个平衡状态。若没有任何扰动使系统偏离O点,它将一直停留在该点。第38页/共94页三、奇点相图上速度和加速度同时为零的那些点称为奇点,奇点对应着动力学系统的平衡状态,因此奇点也称为平衡点。奇点的分类中中心心焦焦点点结结点点鞍鞍点点第39页/共94页8.3 非线性振动非线性振动 一、非线性振动系统由非线性微分方程所描述的振动,称其为非线性振动。下面以单摆做自由振
11、动为例进行分析单摆的线性振动单摆的线性振动将sin按泰勒级数展开可得单摆单摆第40页/共94页很小时,3 3以上可忽略不计,同时令2=g/L可得由上式可知,小角度下单摆的运动是简谐振动,其周期为单摆的非线性振动随着的增大,摆球的运动方程为一个非线性微分方程。可以证明单摆的周期变为第41页/共94页式中m是最大角位移,即单摆振动的角摆幅。当 时,T,T/T随摆幅m变化关系如图所示。可见单摆的周期是一个向无穷大发展的非线性变化。两边积分得单摆线性振动的相图即T/T随摆幅随摆幅m变化关系变化关系第42页/共94页可见,线性振动的相轨迹为椭圆,中心点是稳定的奇点.初始条件确定后,单摆运动过程就对应于其
12、中一个椭圆,单摆的运动是一系列的同周期运动,且运动状态完全确定。单摆非线性振动的相图如果对摆角不加限制,微分方程变成非线性微分方程,对方程两边积分可得单摆无阻尼线性振动的相图单摆无阻尼线性振动的相图第43页/共94页当t=0时,=0可见,其相图不再是一椭圆,相轨迹两端凸出略呈尖角状,但仍是封闭曲线,表示运动仍是周期性往复摆动。当摆幅增大到时,相迹线上出现了两个分支点,我们称之为鞍点,如上图.单摆无阻尼非线性振动的相图单摆无阻尼非线性振动的相图第44页/共94页鞍点和中心点一样也是一个奇点,但是在鞍点上 说明鞍点是不稳定的平衡点,因为与之相连的四条相轨迹中两条指向它,两条背离它,而附近相轨迹呈双
13、曲线状从势能曲线和相图上可知处势能最大,势能曲线、相图、鞍点势能曲线、相图、鞍点第45页/共94页双曲点的存在,预示着混沌运动的可能假定存在阻尼和驱动力,让摆作受迫振动这样一来,双曲点就成了敏感区能量稍大,单摆就会越过势垒的顶峰,跨到它的另一侧;能量稍小,则为势垒所阻,滑回原来的一侧单摆向回摆动。第46页/共94页二、非线性振动系统的混沌行为仍以单摆为例,前面已经讨论过它的自由振动,下面分析其阻尼振动和受迫振动有阻尼、无策动力的振动小摆幅时运动方程为小摆幅时,按阻尼的大小其运动状态可分为过阻尼、临界阻尼、和阻尼振动.从相图可知,无论单摆从什么初始状态出发,最后都要静下来.其状态最终要落到中央焦
14、点处,这一点好象能把相空间的点逐渐地吸引起来,称为“吸引子”单摆阻尼振动的相图单摆阻尼振动的相图(小摆幅小摆幅)第47页/共94页有阻尼、并有策动力的振动大摆幅时运动方程是非线性的单摆阻尼振动的相图单摆阻尼振动的相图(大摆幅大摆幅)此时,从其相图上可以看出,相平面被分成不同的区域,相轨迹都收敛与该区域中心的吸引子.振动方程为这是非线性微分方程,此时单摆的运动情况变得非常复杂,可以对三个参量在不同组合情况下进行数值计算,画出相图来分析.第48页/共94页有策动力、有阻尼时单摆的相图有策动力、有阻尼时单摆的相图保持其他两个参量不变,f 逐渐增加时,单摆的相图会产生如下变化:f=1.07,出现2倍的
15、周期,f 变化两个周期后单摆才恢复原状;f=1.15,相轨迹分布看似没有规律,反映了某种内在的结构特征;第49页/共94页f=1.45,单摆运动出现2倍的周期,作单向旋转;f=1.35,相轨迹又呈现比较简单分布,恢复单倍周期状态,但此时单摆并非作来回振动,而是作单向的旋转;f=1.47,单摆出现4倍的周期,作单向旋转;f=1.50,又出现貌似无规则的运动,但比 f=1.15,时更为混乱.由此可见,在受迫阻尼振动中,单摆的运动反映出如下特征:描述运动特征的动力学方程是非线性的;这些非线性方程是确定性的,不包含任何随时间变化的 随机项;在某些情况下,单摆出现了貌似无规则的运动.此时系统对初始条件特
16、别敏感,初始条件的微小差异可能导致面目全非的结果.这就是单摆的混沌行为.第50页/共94页系统出现的一种貌似随机的运动。混沌:一般无法用解析的方法求解,只能在给定参量和初值条件下用计算机进行数值计算。混沌现象具有如下特征:对初值敏感依赖最初的微小差别会随时间逐渐放大而导致明显的巨大差别。运动不可重现,不可预报;相轨迹显示混沌运动收敛于“奇怪吸引子”;第51页/共94页混沌现象研究表明,混沌仅出现在非线性系统中,是非线性引起的随机性。而自然界中绝大多数实际过程都是非线性的,因此,混沌是一种普遍存在而又极其复杂的现象。自7070年代以来,许多科学家都在各自的领域内发现了混沌现象,如湍流、非线性振荡
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 振动与波动 振动 波动
限制150内