Упругое и неупругое взаимодействия При взаимодействии тел друг с другом изменяются их энергия и импульс. Это изменение, однако, может происходить по-разному. Когда речь идет о взаимодействии массивных тел, которые состоят из большого числа частиц, атомов или молекул, имеет смысл наряду с кинетической и потенциальной энергией говорить о внутренней энергии тела. Внутренняя энергия - это энергия всех частиц, составляющих тело, при заданных его температуре и объеме.Следовательно, частота затухающих колебаний всегда меньше от частоты собственных колебаний системы
, то есть наличие сил сопротивления в системе
уменьшает частоту (увеличивает период) колебаний. При большом затухании
система, выведенная из положения равновесия, не осуществляет колебаний
, а постепенно приближается к положению равновесия. Такое движение называется апериодическим
.
Затухающие колебания не являются гармоническими, поскольку амплитуда колебаний изменяется. В этом случае под амплитудой понимают наибольшее значение, которого достигает соответствующая величина (смещение, скорость, ускорение) в течение одного периода колебаний. В строгом понимании, затухающие колебания нельзя также считать периодическими. По определению, периодическим является такой процесс, при котором за каждый период повторяется любое состояние колебательной системы. Однако в процессе затухающих колебаний состояние колебательной системы вообще точно не повторяется. Например, если в два последовательных момента времени
и
смещения системы одинаковы и равны нулю, то скорости в эти моменты неодинаковы
, поскольку амплитуда скорости уменьшается со временем. При малых силах сопротивления, затухающие колебания можно представить как приблизительно периодический процесс.
Отношение амплитуд колебаний в начале и в конце периода
(11.101)
есть величина постоянная для всего периода колебаний и называется декрементом затухания колебаний. Натуральный логарифм этого отношения называют логарифмическим декрементом затухания:
. Затухающие колебания часто характеризуют временами релаксации. Время релаксации - это промежуток времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в
раз:
. (11.102)
Тогда получаем:
и
. (11.103)
Важной характеристикой реальных колебательных систем также является добротность. Добротностью
колебательной системы называется отношение энергии колебаний системы в данный момент времени к потерям энергии за один период, умноженное на
:
. (11.104)
Разложив функцию
в ряд Тейлора при
, получим:
. (11.105)
Большим значениям
отвечает слабое затухание колебаний.
Считают, что колебания практически прекратились, если их амплитуда уменьшилась в 10 раз. Исходя из этого число
заметных колебаний можно связать с добротностью системы:
, (11.106)
откуда:
. Например, определим время
звучания камертона, добротность которого
, а собственная частота
. Имеем
. В действительности камертон будет звучать значительно меньшее время, поскольку ухо способно воспринимать колебания, отличающиеся по амплитуде, не в десятки, а в тысячи раз.
| Математический маятник |