Центробежная сила инерции. Рассмотрим движение тела во вращающейся системе координат. Сначала рассмотрим вращение тела в неподвижной системе. В ней тело будет испытывать центростремительное ускорение, которое, и будет заставлять его вращаться. По третьему закону Ньютона центростремительной силе соответствует центробежная сила, приложенная к нити, удерживающей вращающееся тело. Во вращающейся системе координат тело покоится, но центростремительное ускорение по-прежнему отлично от нуля.Установим закономерность уменьшения амплитуды
затухающих колебаний и определим частоту колебаний
. Будем считать, что потери энергии системы в процессе колебаний в основном предопределены работой против сил сопротивления. За время
система смещается на
и теряет энергию
. (11.90)
Отсюда вытекает, что скорость уменьшения энергии пропорциональна кинетической энергии системы
. (11.91)
Допустим, что при небольшом затухании
колебаний кинетическая энергия равняется половине всей механической энергии
. Тогда имеем:
. (11.92)
Это предположение значит, что энергия затухающих колебаний уменьшается тем медленнее, чем меньше становится сама энергия.
Разделим переменные в предыдущем уравнении:
. (11.93)
Затем проинтегрируем это уравнение:
. (11.94)
Постоянную интегрирования
определим из начальных условий. Если в начальный момент времени
механическая энергия системы равнялась
, то
. (11.95)
Перейдя от логарифмов к показательной функции, находим
. (11.96)
Поскольку механическая энергия колебательного движения пропорциональна квадрату амплитуды затухающих колебаний, то зависимость амплитуды от времени имеет вид:
, (11.97)
где
- амплитуда колебаний в начальный момент времени
. Следовательно, амплитуда затухающих колебаний уменьшается со временем по экспоненциальному закону (см. Рис. 11.7). В общем случае закон уменьшения амплитуды колебаний зависит от характера сил сопротивления, которые действуют в системе.
Учитывая зависимость
, получим уравнение затухающих колебаний
, (11.98)
где частота колебаний
еще подлежит определению, а начальные значения амплитуды
и фазы
определяются для конкретного колебания из начальных условий, как и в случае свободных колебаний при отсутствии силы сопротивления. Частоту
определим из условия, что последнее выражение для
является решением дифференциального уравнения затухающих колебаний. То есть подстановка в дифференциальное уравнение выражений для
превращает левую часть уравнения в тождественный ноль. Из образованного таким образом тождества вытекает формула частоты затухающих колебаний
. (11.99)
Период затухающих колебаний
. (11.100)
| Математический маятник |