ТЕОРИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Нелинейные эффекты могут проявиться многими разнообразными способами. Классический пример — это нелинейная пружина, в которой восстанавливающая сила нелинейно зависит от растяжения. В случае симметричной нелинейности (одинаковый отклик при сжатии и растяжении) уравнение движения принимает вид

(1.2.4)

Если затухание отсутствует и имеются периодические решения, в которых при естественная частота увеличивается с амплитудой.

Рис. 1.7. Классическая резонансная кривая нелинейного осциллятора с жесткой пружиной в случае, когда колебания периодичны и имеют тот же период, что и вынуждающая сила (а и определяются в уравнении (1.2.4)).

Эта модель часто называется уравнением Дуффинга по имени изучавшего ее математика.

Если на систему воздействует периодическая сила, то в классической теории полагают, что и отклик будет периодическим. Резонанс нелинейной пружины при частоте отклика, совпадающей с частотой силы, показан на рис. 1.7. Как показано на этом рисунке, при постоянной амплитуде вынуждающей силы существует диапазон вынуждающих частот, в котором возможны три различных значения амплитуды отклика. Можно показать, что штриховая линия на рис. 1.7 неустойчива, и при росте и уменьшении частоты происходит гистерезис. Это явление называется перебросом, и оно наблюдается в экспериментах со многими механическими и электрическими системами.

Существуют и другие периодические решения, такие, как субгармонические и супергармонические колебания. Если вынуждающая сила имеет вид , то субгармонические колебания могут иметь вид плюс более высокие гармоники ( — целое число). Как мы увидим ниже, субгармоники играют важную роль в предхаотических колебаниях.

Теория нелинейного резонанса зиждется на предположении, что периодическое воздействие вызывает периодический отклик. Однако именно этот постулат оспаривает новая теория хаотических колебаний.

Самовозбуждающиеся колебания — другой важный класс нелинейных явлений. Это колебательные движения, которые происходят в системах без периодических внешних воздействий или периодических сил. На рис. 1.8 показаны несколько примеров.

Рис. 1.8. Примеры самовозбуждакяцихся колебаний: а — сухое трение между массой и движущимся ремием; б — аэроупругие силы, действующие на тонкое крыло; в — отрицательное сопротивление в цепи с активным элементом.

В первом примере к колебаниям приводит трение, создаваемое относительным движением массы и движущегося ремня. Второй пример иллюстрирует целый класс аэроупругих колебаний, при которых стационарные колебания вызывает стационарный поток жидкости за твердым телом на упругой подвеске. В классическом примере из области электричества, показанном на рис. 1.9 и исследованном Ван дер Полем, в цепь включена электронная лампа.

Во всех этих примерах в системе присутствуют стационарный источник энергии и источник диссипации, или нелинейный демпфирующий механизм. В случае осциллятора Ван дер Поля источником энергии является постоянное напряжение.

Рис. 1.9. Схема цепи с вакуумной лампой, в которой происходят колебания на предельном цикле того же типа, который исследовал Ван дер Поль.

В математическую модель этой цепи источник энергии входит в виде отрицательного сопротивления:

(1.2.5)

Энергия может поступать в систему при малых амплитудах, но при увеличении амплитуды ее рост ограничивается нелинейным затуханием.

В случае маятника Фруда (см., например, [135, гл. 28]), подвод энергии осуществляется стационарным вращением оси. При малых колебаниях нелинейное трение играет роль отрицательного затухания; между тем при сильных колебаниях амплитуда колебаний ограничивается нелинейным членом

(1.2.6)

Колебательные движения таких систем часто называются предельными циклами. На рис. 1.10 показаны траектории осциллятора Ван дер Поля на фазовой плоскости. Малые колебания раскручиваются по спирали, приближаясь к замкнутой асимптотической траектории, а движения большой амплитуды стягиваются по спирали к тому же предельному циклу (см. рис. 1.10 и 1.11, где ).

При изучении подобных проблем часто возникают два вопроса. Какова амплитуда и частота колебаний на предельном цикле? При каких значениях параметров существуют устойчивые предельные циклы?

Рис. 1.10. Решение с предельным циклом для осциллятора Ван дер Поля, изображенное на фазовой плоскости.

Рис. 1.11. Релаксационные колебания осциллятора Ван дер Поля.

В случае уравнения Ван дер Поля удобно нормировать пространственную переменную на , а время — на так что уравнение принимает вид

где . При малых предельный цикл представляет собой окружность радиуса 2 на фазовой плоскости, т. е.

(1.2.8)

где через обозначены гармоники третьего и более высоких порядков. При больших движение приобретает вид релаксационных колебаний, показанных на рис. 1.11, с безразмерным периодом около 1.61 при

Более сложна задача с периодической силой в системе Ван дер Поля:

Поскольку эта система нелинейна, неприменим принцип суперпозиции свободных и вынужденных колебаний. Вместо этого возникающее периодическое движение захватывается на вынуждающей частоте, когда последняя близка к частоте предельного цикла. При слабом внешнем воздействии имеются три периодических решения, но лишь одно из них устойчиво (рис. 1.12). При больших значениях амплитуды силы существует только одно решение. В любом случае с увеличением расстройки — при фиксированном захваченное периодическое решение оказывается неустойчивым и становятся возможными другие типы движения.

Рис. 1.12. Амплитудные кривые для вынужденного движения осциллятора Ван дер Поля (1.2.9).

При больших отличиях вынуждающей и собственной частот в системе Ван дер Поля появляется новое явление — комбинационные колебания, иногда называемые почти периодическими или квазипериодическими решениями. Комбинационные колебания имеют вид

(1.2.10)

Когда частоты и несоизмеримы, т. е. — иррациональное число, решение называется квазипериодическим. Для уравнения Ван дер Поля , где — частота предельного цикла свободных колебаний (см., например, [180, с. 166]).

Ниже мы еще поговорим о квазипериодических колебаниях, но, поскольку они не периодичны, их можно спутать с хаотическими решениями, каковыми они не являются. (Для них спектр Фурье решения (1.2.10) состоит из двух пиков при в то время как хаотические решения имеют широкий, непрерывный спектр.)

Когда и несоизмеримы, фазовый портрет решения (1.2.10) представляет собой незамкнутую траекторию, и для графического представления квазипериодических функций используется другой способ. Для этого делается стробоскопическая выборка с интервалом положим

и обозначим

Рис. 1.13. Стробоскопическое изображение на фазовой плоскости квазипериодических решений для осциллятора Ван дер Поля (1.2.9).

Тогда соотношение (1.2.10) сводится к

(1.2.12)

С ростом точка смещается вдоль эллипса, лежащего в стробоскопической фазовой плоскости (называемой сечением Пуанкаре), как показано на рис. 1.13. Если иррационально, то множество точек при заполняет замкнутую линию, уравнение которой имеет вид

Квазипериодические колебания происходят также и в системах с более чем одной степенью свободы.