работа


Федеральное агентство по образованию


ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет


имени Н.Г. Чернышевского»


Кафедра нелинейной физики


Колебания в системе связанных осцилляторов


Курсовая работа


студентки 1 курса факультета нелинейных процессов


****


Научный руководитель


профессор, д. ф.-м. н., ______________Ю. П. Шараевский


Заведующий кафедрой,


чл.-кор. РАН, проф.,


д. ф.-м. н. ______________ Ю. П. Шараевский


Саратов-2008



Содержание

Введение. 3


1. Два связанных осциллятора. 4


1.1.
Анализ системы двух связанных осцилляторов
. 4


1.2
. Затухание в системе связанных осцилляторов
. 7


1.3
. Связанные осцилляторы под действием гармонической силы
. 9


2. Колебания системы со многими степенями свободы.. 11


2.1. Колебания системы
N связанных осцилляторов
. 11


2.2. Колебательные цепи
. 12


3. Переход к сплошной среде. 15


4. Заключение. 16


5. Список используемой литературы.. 17


Введение

В теории колебаний движение заряда в электрическом контуре или груза на пружине, можно описать уравнением линейного гармонического осциллятора. Но на практике в большинстве случаев приходится иметь дело не с одним осциллятором, а с более сложными системами - взаимодействующими между собой осцилляторами. В качестве примеров таких систем можно рассматривать колебания молекул в жидкостях и твердых телах, электрические цепи, состоящие из нескольких взаимосвязанных контуров, два математических маятника, связанные между собой пружиной.


Многие эффекты, проявляющиеся в системе с двумя степенями свободы, характерны для более сложных систем, поэтому осуществляется подробный анализ системы двух связанных осцилляторов. Такой подход позволяет перейти к рассмотрению большого, а затем и бесконечного числа связанных осцилляторов, осуществить переход к сплошной среде.



1. Два связанных осциллятора
1.1
.
Анализ системы двух связанных осцилляторов

Рассмотрим систему двух связанных осцилляторов на примере двух электрических контуров. Каждый контур состоит из конденсаторов с емкостью C
, катушек индуктивности L1
и L2
, связан с другим посредством общего конденсатора C1
(рис.1).


Пусть в первом контуре течет ток I1
, во втором - I2
. Пренебрегаем потерями энергии в контурах.


Тогда по первому закону Кирхгофа:


I =
I1
+
I2
Рис.1


или после интегрирования


q =
q1
+
q2
, (1)


где q
– заряд на обкладках конденсатора C1
, q1
,
q2
– заряды на конденсаторах C; , .


Совершая обходы по каждому контуру в указанных на рис. 1 направлениях, получим уравнения:


и (2)


Уравнения (2) описывают систему связанных осцилляторов. Если 1/
C = 0
, т.е. отсутствует связь, тогда (2) переходит в систему двух независимых осцилляторов с собственными частотами
и
.


Рассматривая колебания в системе двух связанных математических маятников (рис.2), соединенных пружиной k, длиной l1
и l2
с одинаковыми массами m =
m1
=
m2
, тогда уравнения движения запишутся в виде:



(3)


Как видно, уравнения (2) для контуров эквивалентны уравнениям (3), описывающим механическую систему. Рис.2


Способ связи осцилляторов, при котором в каждом из уравнений для несвязанных


систем появляются слагаемые, пропорциональные координате


второй системы, называется силовой
связью (механические системы) или емкостной
связью (колебательный контур) [1].


Аналогичным образом можно записать уравнения для системы двух связанных контуров с индуктивной связью:



Для механических систем такой способ связи называют инерционным
[1].


Тип связи зависит от выбора обобщенных координат.[2 (лекция 22)] или другими словами выбором динамических переменных [1].


В общем виде уравнения движения для системы связанных маятников можно записать так [2]:


,


.


Уравнения (2) можно получить, исходя из уравнений Лагранжа – Максвелла (уравнения Лагранжа второго рода) [2]:


,


где T
- энергия, - это обобщенная сила. Выражение называют так по аналогии с тем, что имеет место в декартовых координатах, где работа определяется как произведение (X – сила, - перемещение) [2].


Если - такие потенциальные силы, зависящие от , что



То уравнения для электрической цепи становятся следующими:


,


Где U
- электрическая, а T
– магнитная энергия, - токи, - заряды. При подстановки значений T
и U
в полученные уравнения приходим к уравнениям (2).


Сложим и вычтем уравнения (2), получим:


,


.


Для упрощения дифференциальных уравнений введем обозначения



и
,


откуда


и .


Пусть для простоты , тогда . И после преобразований получим:


,
(4)


, (5)


где .


Т.о. q’
и q”
- линейные комбинации обычных координат q1
и
q2
,
которые
называются нормальными координатами
, и которым соответствуют нормальные частоты
:


и ,


а соответствующие нормальным координатам гармонические колебания - собственные моды

системы.


Следует отметить, что число независимых (нормальных) координат, необходимое и достаточное для однозначного определения положения системы называется числом степеней свободы системы.[2 (лекция 22)]


В случае, когда q’ = 0 (
q1
=
q2
),
колебания системы описываются уравнением (5), т.е. первая нормальная мода с частотой . Ток I1
= I2
,
в обоих контурах направлены либо по часовой стрелке, либо против нее. Следовательно, ток через конденсатор C1
не протекает. Если же q” = 0 (
q1
= -
q2
),
рассматривая уравнение (4), то возбуждается вторая мода с частотой и в любой момент времени через конденсатор C проходит удвоенный ток I1
(
I2
)
.


Т. о. уравнения (4), (5) можно свести к уравнениям двух независимых осцилляторов.


Обобщая: линейная консервативная система с N
степенями свободы может быть представлена в виде набора N
независимых осцилляторов.


Рассмотрим парциальные частоты в колебательном контуре.


Парциальной системой
, соответствующей данной координате, является система, получаемая из исходной “закреплением” всех остальных координат [3].


“Закрепление” координат на примере уравнений (2) означает, что либо q1
= 0
, либо q2
= 0
.


В первом случае получим , во втором .


Т.о. парциальные частоты определяются следующим образом:


и . (6)


При эти частоты равны . Сравним их с нормальными частотами:


, (7)


т.о. парциальные частоты всегда лежат между нормальными.().


Двойное неравенство (7) наглядно демонстрирует, что введение связи в систему связанных осцилляторов увеличивает интервал между собственными частотами.


Перепишем уравнения (2) в соответствии с (6) в виде ():


и (8)


Общее решение выглядит следующим образом:


,


, (9)


При этом


,


.


Введем обозначение , коэффициент связи. Тогда последнее слагаемое, стоящее под корнем будет равным:


.


Связь между осцилляторами мала, если . При этом их колебания не зависят друг то друга. В случае амплитуда колебаний осцилляторов одинакова.


Сильная связь может возникнуть если при любых ρ,
или при .


Рассмотрим передачу энергии в системе связанных осцилляторах.


Пусть в начальный момент времени был возбужден первый контур, полагая , имеем:


, , , .


Тогда, подставляя начальные условия в (9) и выражая через , получим решения:


,


.


Во второй формуле амплитуда переменная. Передача энергии от одного колебательного контура к другому за время сопровождается уменьшением амплитуды первого контура и увеличением Рис.3


амплитуды


второго. Получаются биения
(рис.3).


1.2
. Затухание в системе связанных осцилляторов

Введём затухания в линейную колебательную систему. В общем случае уравнения движения выглядят следующим образом [4]:


,


. (10)


Полагая, что , получаем характеристическое уравнение для системы 10:



Пусть - корни, тогда общее решение запишется в виде:


,


. (11)


Коэффициенты при каждой экспоненте связаны друг с другом соотношениями:


().


Когда нет трения, то и . Наличие затухания приводит к тому, что корни либо действительные, либо комплексно сопряженные. При малых и , (11) примет вид:


,


,


где


, ,


, ,


, , , .


Таким образом, если в системе есть затухания, то общее решение – сумма двух колебаний с частотами и , с комплексными амплитудами.


Рассмотрим затухающие колебания в LC – контуре.


Отличие такого контура от рассмотренного ранее – наличие электрического сопротивления, т.е. в колебательной системе происходит потеря энергии (в механических системах из-за трения).


В каждое уравнение добавляется новое слагаемое – падение напряжения на сопротивлении [2]:


и


Будем искать решение в виде , . При подстановки которых, получим


,


.


Причем, α
, β
и m
– не известны. По отношению к α
, и β
эти уравнения линейны, имеют нетривиальное решение, когда детерминант равен нулю:


.


Развертывая детерминант, получаем уравнение 4-й степени:


В отсутствии сопротивления (трения) оба корня отрицательны, , где - действительная частота.


При наличии сопротивления корни либо действительные, либо комплексные, попарно сопряженные. Общее решение состоит из суммы двух колебаний с возрастающими или затухающими амплитудами.


В случае системы с сопротивлением происходит сдвиг фаз между колебаниями каждой из частот в обеих координатах.


Затухание в системе связанных осцилляторов может быть неодинаковым для разных мод, поскольку, например, конденсаторы “работают” для различных нормаль­ных колебаний по-разному[6]. Наконец, небольшое за­тухание никак не может повлиять на фундаментальные свойства нормальных колебаний – соответствие между числом нормальных мод и количеством колебательных степеней свободы.


1.3
. Связанные осцилляторы под действием гармонической силы
.

Пусть на осцилляторы действует внешняя гармоническая сила с частотой p
.


Тогда уравнения движения в общем случае:


,


. (12)


Общее решение системы - сумма однородного (собственные колебания) и частного (правые части системы ненулевые) решений [1].


Решение ищем в виде:


,


.


Подставляя эти выражения в (12), получим:


,


. (13)


Детерминант системы


.


Если ∆=0
, то в системе установятся свободные колебания, рассматривались ранее и также были определены для них нормальные частоты. Если ∆≠0
, то для всех p
система (13) имеет решение, причем однородные уравнения не имеют решения.


Решение уравнений сис

темы (13):


, .


Резонансные кривые, изображенные на рис.4 позволяют сделать следующие выводы.


1. Пусть сила действует на первую парциальную систему, т.е. , , тогда возможно совпадение частоты внешней силы и парциальной частоты второго осциллятора - динамическое демпфирование [2], первый осциллятор не колеблется:


, .


2. Резонанс наступает при совпадении частоты внешней силы с одной из собственных частот системы, происходит неограниченный рост амплитуд в обоих осцилляторах.


3. при частоте внешней силы второй осциллятор не колеблется, это возможно, если связь носит смешанный характер.


Пусть сила действует на второй осциллятор, т.е. , , тогда


.


Для линейных систем справедлива теорема взаимности
[2]: если на второй осциллятор действует сила , то движение первой координаты – такое же, как Рис.4


движение второй координаты, когда на первый осциллятор действует сила .


Она справедлива для линейных систем с любым числом степеней свободы, в том числе и для сплошных сред.


В электродинамике, например, теорема взаимности применяется в теории антенн.


2. Колебания системы со многими степенями свободы
2.1. Колебания системы
N связанных осцилляторов

Рассмотрим систему n
связанных осцилляторов.


Для этого воспользуемся уравнением Лагранжа [4]:


, ,


где каждому значению p
соответствует одно из уравнений движения


Подставим в него значения кинетической и потенциальной энергий, которые определяются формулами:


и . (14)


Где и - симметрические матрицы, - обобщенные координаты. Кинетическая и потенциальная энергии положительны при колебания вблизи положения равновесия.


Подставляя (14) в уравнения Лагранжа, уравнения движения примут вид:


. (15)


Делая подстановку , получаем систему алгебраических уравнений


, (16)


которая имеет ненулевые решения, если детерминант равен нулю:


. (17)


Корни уравнения (17) действительные или комплексные попарно сопряженные ().


Если известны собственные значения, т.е. решение (16), то общее решение уравнений движения представляется в виде:


(18)


Положим , и , тогда (18) примет вид:


. (19)


Уравнение (19) содержит 2n
постоянных и . Подстановка частного решения позволяет получить две системы уравнений, откуда в свою очередь, общее решение (19) содержит 2n независимых постоянных:


. (20)


Согласно формулам (20), общее решение представлено n
гармониками, входящими в каждую координату. При сложении эти гармоники не влияют друг на друга.


- коэффициенты распределения
[4], матрица которых определяет распределение амплитуд отдельных гармоник во всех координатах.


Из уравнения (16) для z
-го колебания


,


зная распределение амплитуд z
-го колебания (элементы z
-го столбца матрицы ), можно перейти к выражению для частоты:


(21)


Формула (21) позволяет установить зависимость частоты от условий задачи [2].


Если уравнение имеет корень n
-ой кратности, т.е. существует единственная частота, следует обращение в нуль всех элементов детерминанта и


.


Такое соотношение между кинетической и потенциальной энергиями выполняется, например, когда связи между координатами отсутствуют либо в системе присутствуют как инерционная, так и силовая связи. При наличии связей одного типа корней n-ой кратности в системе нет.


Таким образом, у системы с N
степенями свободы имеется N
мод. Каждой моде соответствует своя частота и своя фазовая постоянная, определяемая начальными условиями.


2.2. Колебательные цепи

Система связанных осцилляторов, в которой они упорядочены так, что каждый из осцилляторов связан только с двумя соседями (за исключением двух крайних), называется цепочкой осцилляторов
[1].


На рис.5 изображены примеры колебательных цепей с силовой связью (а, б
) и индукционной (в, г
).


Колебательные цепи – в зависимости от их реакции на периодические возмущения на входе – называют фильтрами высоких и низких частот [4].


Фильтры низких частот
(рис. 5а, 5б), через которые могут проходить только возмущения с частотами, лежащими ниже определенной граничной частоты. Фильтры высоких частот
(рис. 5в, 5г) пропускают колебания, частота которых лежит выше . Рис. 5


некоторой граничной частоты


В качестве примеров фильтров можно привести широко распространенные радиотехнические цепочки, электронные приборы СВЧ диапазона и модель кристалла, в котором пружины заменяют межатомные связи.


Рассмотрим схему, изображенную на рис. 5а. Пусть имеется N+2
шара, и оба конца цепи закреплены. Масса каждого шара – m
и жесткость пружины k
. Тогда уравнение движения для n-ой массы можно записать так:


. (22)


Введем комплексные амплитуды :


.


Подставляя это решение в (22):


, , (23)


Положим распределение амплитуд колебаний в виде , где A и - некоторые постоянные. Тогда из уравнения (23) следует:


(24)


Если цепочка состоит из механических маятников, то при , (24) примет вид:


(24’)


Оба конца цепи находятся в положении равновесия: и . Из этого условия находим, что , или


, . (25)


Тогда собственные частоты определяются следующим образом:


.


Спектр – совокупность всех собственных частот системы [1]. Расстояние между любыми двумя точками спектра равно . На рисунке 6, демонстрирующем зависимость , точками отмечено положение собственных частот, лежащих в интервале между крайними точками


и .


Рис.6


Распределение собственных частот вдоль оси неоднородно. Увеличивая количество осцилляторов N
, плотность проекций точек, изображающих собственные частоты, на эту ось будет возрастать быстрее около крайних точек.


Если , а движущиеся элементы находятся в ограниченном объеме, то расстояние между соседними элементами стремится к нулю. Система ведет себя так, как если бы она была непрерывной, т.е. движение соседних элементов почти одинаково.


Если в нашем случае увеличивать количество масс и пружин, а их самих уменьшать, то рассматриваемая цепь переходит в струну. Картина колебаний принимает вид стоячих
волн
.


Стоячие волны являются нормальными модами непрерывных систем [5]. Непрерывная система имеет бесконечное число степеней свободы и соответственно бесконечным числом мод.


Общее движение системы может быть описано как суперпозиция ее мод. Амплитуды и фазовые константы определяются из начальных условий.


Назовем длиной волны – расстояние вдоль системы между двумя осцилляторами, которые колеблются в одинаковой фазе [1].


Тогда для j
-го колебания можно записать:


,


где d
– расстояние меду соседними осцилляторами, определяется формулой (25), - длина волны j
-го колебания. Этот параметр для колебаний в пространстве имеет такой же смысл, что и период T для колебаний во времени.


Длина всей цепочки равна (N
+1)d
. По длине системы должно укладываться целое число полуволн – условие резонанса, которое выглядит следующим образом:


.


Учитывая предыдущее уравнение, получим (25).


Вводя волновое число k, равное ,
имеем .


Следовательно, колебания цепочки осцилляторов можно описывать в терминах стоячих волн.


Рассмотрим спектр колебаний цепочки с большим числом элементов, например модель кристалла. В любом бесконечно малом интервале частот будет содержаться большое число собственных мод . Поэтому вводится функция - плотность распределения
собственных частот [1]:


.


Тогда средняя энергия осциллятора, находящегося в состоянии теплового равновесия при температуре T определяется как:


,


где - постоянная Планка, - постоянная Больцмана.


Откуда энергия внутренней среды равна



Это полученное соотношение применяется, например, в теории теплоемкости кристаллов при известном .


При , используя формулы (24) и (25) и , получаем:


.


Вблизи границ спектра обращается в бесконечность(рис.7):


, ,


, .


Обращение в бесконечность функции в критических точках – особенность одномерных цепочек. Для колебаний в двумерных (пластины, мембраны) и трехмерных кристаллических решеток - остается конечной, а ее производная терпит разрыв. Рис.7


Вид функция зависит от структуры колебательной цепи, т.е. от количества элементов цепи разных типов на одном периоде системы и от их масс.


3. Переход к сплошной среде


Рассмотрим цепочку связанных осцилляторов – одномерную кристаллическую решетку, представляющую собой упорядоченную структуру. Другими примерами такой структуры являются цепочка, состоящая из LC
-элементов, набор связанных пружинами маятников. Смещая в такой системе один элемент от положения равновесия, получаем смещение соседних элементов, т.е. по всей структуре побежит волна.


Если в уравнении Клейна-Гордона, которое описывает распространение одномерных волн в среде с дисперсией [1]:


, (26)


где (связанные маятники массой m
, имеющие собственную частоту , связь между которыми осуществляется пружинами с жесткостью ), устремить к нулю, то получим


. (27)


Это классическое волновое уравнение. Любая одномерная волна может быть описана решением (27).


Подставляя в (26) имеем


. (28)


- сдвиг фазы волны при смещении вдоль цепочки осцилляторов на одну ячейку.


Уравнение (28) получается из (24’), если .


Дисперсионное уравнение, описывающее связь и k
, в общем случае выглядит следующим образом:


.


Дисперсия существует, описывается уравнением (28), что обусловлено существованием пространственного и временного собственного масштабов ( и a)..


ka
<<1, (a
<<) справедливо для достаточно длинных волн, т.е. цепочку осцилляторов можно рассматривать как одномерную сплошную среду, описываемую уравнением (26).


Наличие дисперсии обусловлено существованием собственного временного масштаба .


При , , т.е. длина маятника и не влияет на его колебание, следовательно, получаем сплошную среду без дисперсии (отсутствие пространственного и временного масштабов). Каждый маятник имеет собственный период , «среда» не будет воспринимать частоту меньше собственной.


В случае в уравнении (24’) соотношение между a
и может быть любым (), тогда получаем цепочку связанных шариков. Дисперсия в системе сохраняется, она существенна, пока a
не мало по сравнению с .


Существование дисперсии в среде связанно с наличием в ней собственных, не зависимых от параметров волны пространственных и временных масштабов.


4. Заключение

В данной работе были рассмотрены колебания в системе двух связанных осцилляторов, проведен анализ этой системы в случае свободных колебаний и при воздействии внешней силы. Рассмотрено явление внутреннего резонанса, при котором отдельные подсистемы (парциальные) обмениваются энергией друг с другом, а также явление динамического демпфирования, которое используется на практике для гашения «вредных» колебаний.


Выводы, относящиеся к колебаниям в системе с двумя степенями свободы, обобщаются на случай колебаний в более сложных электрических схемах или механических вибраций.


В работе осуществлен переход от колебательной цепочки, набора элементарных осцилляторов, к одномерной сплошной среде.


С помощью некоторых цепочек можно реализовать практически любую дисперсионную зависимость, на основе которых исследуется распространение волн в различных средах.



5
. Список используемой литературы

[1] Трубецков Д.И., Рожнев А.Г. Линейные колебания и волны. – М.: Физматлит, 2001.


[2] Мандельштам Л.И. Лекции по колебаниям. Полное собрание трудов. Т. 4. –М.:Изд-во АН СССР, 1957.


[3]Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. – М.: Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика. 2000.


[4] Магнус К. Колебания. – М.:Изд-во Мир, 1982.


[5] Крауфорд Ф. Волны. Берклеевский курс физики. Т. 3. – М.: Наука, 1974.


[6] Козлов С.Н., Зотеев А.В. колебания и волны. Волновая оптика. – М.: Физический факультет МГУ, 2006.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: работа

Слов:3306
Символов:28332
Размер:55.34 Кб.