質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)講解常微分

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)講解常微分第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogoContents（1）無阻尼自由振動(dòng)（2）有阻尼自由振動(dòng)（3）無阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)（4）有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)

振動(dòng)是日常生活和工程技術(shù)中常見的一種運(yùn)動(dòng)形式。例如鐘擺的往復(fù)擺動(dòng)，彈簧的振動(dòng)，樂器中弦線的振動(dòng)，機(jī)床主軸的振動(dòng)，電路中的電磁振蕩等等。振動(dòng)問題的研究，在一定條件下，可以歸結(jié)為二階常系數(shù)線性微分方程的問題來討論。下面我們以第一章里所舉的力學(xué)典型例子數(shù)學(xué)擺作為具體的物理模型，利用常系數(shù)線性微分方程的理論，討論有關(guān)自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的問題，并闡明有關(guān)的一些物理現(xiàn)象。至于RLC電路中的電磁振蕩完全可以同樣地加以討論。第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo數(shù)學(xué)擺是系于一根長度為l的線上而質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)M，在重力作用下，它在垂直于地面的平面上沿著圓周運(yùn)動(dòng)，如圖：第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo（1）無阻尼自由振動(dòng)考察數(shù)學(xué)擺的無阻尼微小自由振動(dòng)方程，（1.9）記，這里是常數(shù)，（1.9）變?yōu)椋?.39）這是二階常系數(shù)齊次線性微分方程，它的特征方程為特征根為共軛復(fù)根因此，方程（4.39）的通解為

,（4.40）第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo其中，為常數(shù)。為了獲得明顯的物理意義，令，因此，若取

，則（4.40）可以寫成即（4.41）這里A，代替了，作為通解中所含的兩個(gè)任意常數(shù)。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo

從通解（4.41）可以看出，不論反映擺的初始狀態(tài)的A與為何值，擺的運(yùn)動(dòng)總是一個(gè)正弦函數(shù)，它是t的周期函數(shù).這種運(yùn)動(dòng)成為簡諧振動(dòng)。振動(dòng)往返一次所需的時(shí)間稱為周期，記為T，這里；單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)成為頻率，記作，這里；而稱為圓周率。從而得出結(jié)論：數(shù)學(xué)擺的周期只依賴于擺長l，而與初值無關(guān)。（參看圖（4.1））。

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo

圖（4.1）第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo此外，擺離開平衡位置的最大偏離稱為振幅。數(shù)學(xué)擺的振幅為A，而稱為初位相。這里，振幅和初位相都依賴于初值條件。如果把數(shù)學(xué)擺移至位置處，然后突然松開，使其自由擺動(dòng)，這就相當(dāng)于給定如下的初值條件：時(shí)，（4.42）把（4.42）代入通解（4.41），得到于是得初位相，振幅。第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo因此，所求的特解為：第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo（2）有阻尼自由振動(dòng)

從通解（4.41）可以看到，無阻尼的自由振動(dòng)是按正弦規(guī)律作周期運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)似乎可以無限期的進(jìn)行下去。但是，實(shí)際情況并不是如此，擺總是經(jīng)過一段時(shí)間的擺動(dòng)后就會(huì)停下來，這說明我們所得的方程并沒有完全反映物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。因?yàn)榭諝庾枇υ趯?shí)際上總是難免的，因此必須把運(yùn)動(dòng)阻力這一因素考慮進(jìn)去，從而得到第一章已推導(dǎo)過的擺的有阻尼的自由振動(dòng)方程

，（1.10）第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo

記，，這里n，是正常數(shù)，（1.10）可以寫成：（4.43）它的特征方程為：，（4.44）特征根為：

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對(duì)于不同的阻尼值n，微分方程有不同形式的解，它表示不同的運(yùn)動(dòng)形式，現(xiàn)分下面三種情況進(jìn)行討論：①小阻尼的情形：即n<的情形，這時(shí)，為一對(duì)共軛復(fù)根，記，則。而方程（4.43）的通解為：和前面無阻尼的情形一樣，可以把上述通解改寫成如下形式：（4.45）這里A，為任意常數(shù).第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo

從（4.45）可見，擺的運(yùn)動(dòng)已不是周期的，振動(dòng)的最大偏離隨著時(shí)間增加而不斷減小，而擺從一個(gè)最大偏離到達(dá)同側(cè)下一個(gè)最大偏離所需的時(shí)間為。

第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo圖（4.2）表示函數(shù)（4.45）的圖形，圖上虛線是的圖形。而實(shí)線表示擺運(yùn)動(dòng)的偏離隨時(shí)間變化的規(guī)律，它夾在兩條虛線中間振動(dòng)。因?yàn)樽枘岬拇嬖冢瑪[的最大偏離隨時(shí)間增大而不斷減小，最后擺趨于平衡位置。圖（4.2）第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo②大阻尼的情形：即n>的情形，這時(shí)，特征方程（4.44）有兩個(gè)不同的負(fù)實(shí)根。方程（4.43）的通解為（4.46）這里，是任意常數(shù)。從（4.46）可以看出，擺的運(yùn)動(dòng)也不是周期的，因?yàn)榉匠? 對(duì)于t最多只有一個(gè)解，因此，擺最多只通過平衡位置一次，又因?yàn)榈?6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo得知：當(dāng)t足夠大時(shí)，的符號(hào)與的符號(hào)相反。因此，經(jīng)過一段時(shí)間后，擺就單調(diào)地趨于平衡位置，因而在大阻尼的情形，運(yùn)動(dòng)不是周期的，且不再具有振動(dòng)的性質(zhì)。擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（4.46）的圖形如圖（4.3）所示。

或第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo③臨界阻尼的情形：即n=的情形，這時(shí)特征方程（4.44）有重根。方程（4.43）的通解為：（4.47）。

這里，，是任意常數(shù)。第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo從(4.47)可以看出，擺的運(yùn)動(dòng)也不是周期的，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（4.47）的圖形和圖（4.3）相類似。擺也不具有振動(dòng)的性質(zhì)。數(shù)值稱為阻尼的臨界值，這一數(shù)值正好足夠抑制振動(dòng)。這里臨界值的意思是指：擺處于振動(dòng)狀態(tài)或不振動(dòng)狀態(tài)的阻尼分界值，即當(dāng) 時(shí)，擺不具有振動(dòng)性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖（4.3）所示。而當(dāng)時(shí)，擺具有振動(dòng)性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖（4.3）所示。第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo（3）無阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)

以上談到的無阻尼自由振動(dòng)和有阻尼自由振動(dòng)都屬于自由振動(dòng)，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)二階常系數(shù)齊次線性微分方程。當(dāng)一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)還經(jīng)常受到一個(gè)外力作用時(shí)，這種振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。最常見的外力往往是按周期變化的，這里考察周期外力特別是按正弦變化的外力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)。我們?nèi)砸詳?shù)學(xué)擺為例。數(shù)學(xué)擺的微小強(qiáng)迫振動(dòng)方程可寫為： （1.11）第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo考察無阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)，即的情形。令，設(shè)

，H為已知常數(shù)，p為外力圓頻率。這時(shí)（1.11）變?yōu)椋?.48）方程（4.48）的對(duì)應(yīng)齊次線性微分方程的通解為

（4.41）這里A，是任意常數(shù)?，F(xiàn)求（4.48）的一個(gè)特解。如果，則（4.48）有形如（4.49）的解，這里M,N是待定常數(shù)。將（4.49）代入（4.48），比較同類項(xiàng)系數(shù)，得到第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo因此，方程（4.48）的通解為：

（4.50）通解（4.50）由兩部分組成，第一部分是無阻尼自由振動(dòng)方程的解，它代表固有振動(dòng)，第二部分是振動(dòng)頻率與外力頻率相同，而振幅不同的項(xiàng)，它代表由外力引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。從（4.50）還可以看出，如果外力的圓頻率p愈接近固有圓頻率，則強(qiáng)迫振動(dòng)項(xiàng)的振幅就愈大。

第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo如果，則（4.48）有形如的解，將它代入（4.48），比較同類項(xiàng)系數(shù)得到，因而，方程（4.48）的通解為（4.51）（4.51）表示隨著時(shí)間的增大，擺的偏離將無限增加，這種現(xiàn)象稱為共振現(xiàn)象。但是，實(shí)際上，隨著擺的偏離的增加，到了一定程度，方程（4.48）就不能描述擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)了。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo（4）有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)

這時(shí)擺的運(yùn)動(dòng)方程（1.11）變?yōu)椋?.52）根據(jù)實(shí)際的需要，我們只討論小阻尼的情況，即 的情形。這時(shí)（4.52）對(duì)應(yīng)的齊次線性微分方程的通解為：（4.45）這里A，是任意常數(shù)，（見（2）有阻自由振動(dòng)中的情形①）?，F(xiàn)求（4.52）的一個(gè)特解，這時(shí)可以尋求形如

（4.53）的特解第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo

這里M,N是待定常數(shù)，將（4.53）代入（4.52），比較同類項(xiàng)系數(shù)，得到為了獲得更明顯的物理意義，令即令（4.54）及，這時(shí)（4.53）可以寫成

第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo因此，（4.52）的通解為（4.55）從（4.55）可以看出，擺的運(yùn)動(dòng)由兩部分疊加而成，第一部分是有阻尼的自由振動(dòng)，它是系統(tǒng)本身的固有振動(dòng)，它隨時(shí)間的增長而衰減，第二部分是由外力而引起的強(qiáng)迫振動(dòng)項(xiàng)，它的振幅不隨時(shí)間的增長而衰減，因此，考慮強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)主要就考慮后一項(xiàng)，它與外力的頻率一樣，但相位和振幅都不同了。我們現(xiàn)在來研究外力的圓頻率p取什么值時(shí)所引起的強(qiáng)迫振動(dòng)項(xiàng)的振幅達(dá)到最大值。第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月CompanyLogo從（4.54）看出，只需討論當(dāng)p取何值時(shí)達(dá)到最小值即可。為此，記