Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Глава IX. ТЕОРИЯ КОЛЕБАНИЙ§ 9.1. Колебания около положения равновесия.Свой метод Лагранж с особо выдающимся успехом применил к теории малых колебаний механической системы около положения устойчивого равновесия. Правда, применяемые там уравнения описывают, движение приближенно, но, несмотря на это. представляют большой интерес, поскольку, как уже отмечалось ранее в § 8.1. эти уравнения относятся к числу полностью разрешимых: задаваясь значениями Рассмотрим натуральную систему (§ 6.5) с функцией кинетической энергии
и функцией потенциальной энергии
В точке
образуют определенно-положительную квадратичную форму. Для достаточно малых значений С многообразие Имеем интеграл энергии
Если система начинает свое движение в непосредственной близости от точки О с малой начальной скоростью, то постоянная С мала. В этом случае
Изображающая точка располагается в области малыми в процессе всего движения. Далее, поскольку во время движения V О, справедливо неравенство
и, следовательно, величины
Мы сохраним лишь члены первого порядка относительно
Кроме того, можно считать, что коэффициенты Таким образом, для получения линейного приближения можно составить уравнения Лагранжа по выражениям
причем, как уже говорилось, коэффициенты
в котором коэффициенты
Если матрицу
С помощью действительного неособого линейного преобразования квадратичные формы (9.1.9) и (9.1.10) можно одновременно привести к суммам квадратов с положительными коэффициентами. Одновременное приведение двух квадратичных форм к суммам квадратов всегда возможно, если по крайней мере одна из форм определенно-положительная. (То обстоятельство, что в нашем случае одна из форм содержит
Коэффициенты В координатах
Оно содержит только одну координату Таким образом, система уравнений распадается на Если в момент
Это решение получено совершенно независимо от остальных Координаты Движение системы в общем случае, в противоположность описанному выше, обычно не является периодическим, однако в одном случае движение всегда будет периодическим независимо от начальных условий. Это имеет место тогда, когда отношение любой пары величин
то любое колебание системы является периодическим с периодом то любое движение, в котором возбуждаются В главном колебании, скажем в первом главном колебании, координаты
и каждая координата
В главном колебании наблюдаемая конфигурация системы, определяемая отношениями Преобразование (9.1.17) можно записать в следующей форме:
Здесь Решение конкретных задач, по крайней мере в тех случаях, когда периоды главных колебаний различны, не вызывает особых затруднений. Один из возможных путей решения используется ниже в примере 9.1 А. Он состоит в следующем. Сначала определяют периоды главных колебаний и отношения Значения коэффициентов к, входящих в (9.1.13), не определяются описанной выше процедурой, так как мы нашли лишь отношения элементов в каждом столбце матрицы
в котором
Этой формой часто пользуются при теоретических исследованиях, но практически можно обойтись без перехода от (9.1.13) к (9.1.22). Входящие в выражения (9.1.22) главные координаты Сделаем еще одно существенное замечание. Форма (9.1.10) должна быть определенно-положительной; если V — лишь знакопостоянная (полуопределенная) форма, то изложенная выше теория теряет силу. Например, если одна из переменных скажем не входит в V, то соответствующее уравнение движения имеет вид Рассмотрим теперь два конкретных примера; во втором из них система имеет лишь две степени свободы и решение поэтому значительно упрощается. Пример 9.1А. Невесомая струна длиной
Рис. 23. Система совершает поперечные колебания в своей плоскости. Требуется найти движение системы. Представим себе, что движение совершается на гладкой поверхности стола. Натяжение Пусть х, у, z обозначают смещения частиц в некоторый момент t. Уравнения движения частиц с точностью до величин первого порядка относительно х, у. z запишутся в виде
Эти уравнения можно переписать в следующей эквивалентной форме:
где Можно, конечно, получить уравнения движения и с помощью метода Лагранжа. Удлинение первого участка струны с точностью до величин второго порядка относительно удлинения остальных участков струны, получаем
Кроме того,
Если составить теперь уравнения Лагранжа, то легко убедиться, что они совпадают с уравнениями движения (9.1.23).
Рис. 24. Для главного колебания с периодом
Подставляя х, у, z в уравнения движения, получаем
Эти уравнения будут совместны, если
Отсюда, как и следовало ожидать, получаем три положительных значения
Для первого, или основного, главного колебания
так что для первого главного колебания
Аналогично, для второго главного колебания Любое движение, в котором третье главное колебание отсутствует, является периодическим с периодом Преобразование к главным координатам
Отсюда
Легко проверить, что
Теперь можно дать полное решение задачи линейного приближения при любых заданных начальных условиях. Значение
где Для конкретности предположим, что в начальный момент система находится в покое в положении равновесия и движение вызывается малым поперечным импульсом величиной
В любой последующий момент времени будем иметь
и окончательное решение будет иметь вид
где
Пример пополам отрезок между Доказать, что движение системы является периодическим с периодом Обозначим смещение частицы В через х, а смещение частицы С через у. Уравнения движения имеют вид
Как и в предыдущем примере, эти уравнения легко получить из уравнений Лагранжа; с принятой точностью приближения имеем
где
Система имеет всего лишь две степени свободы, что упрощает решение. Рассмотрим два способа решения этой задачи. 1) Как в предыдущем примере, для главного колебания имеем
Этим уравнениям удовлетворяет ненулевой вектор
Значения
В первом главном колебании —
откуда
Как легко проверить, в этих координатах
2) Умножая второе уравнение движения на А, и складывая с первым, получаем
Это равенство принимает вид
Следовательно,
вели же к
Таким образом, мы находим как главные координаты, так и соответствующие периоды. Главные координаты равны
Периоды главных колебаний равны В начальный момент имеем
Или
Следовательно,
и
Пример Тяжелый стержень Если угол, который нити, удерживающие стержень, составляют с вертикалью, обозначить через
Уравнения движения запишутся в виде
где
так что одна из главных координат равна
Эти формулы определяют две другие главные координаты. Таким образом, главными координатами будут
Кроме того,
Рассмотрим теперь движение, определяемое следующими начальными условиями:
При
и, следовательно,
Предположим теперь, что отношение
Движение по координате
|
1 |
Оглавление
|