fizikzauglom

เกรด 9 · การสั่นเชิงกล

การสั่นแบบฮาร์มอนิก แบบหน่วง และแบบบังคับ

กฎฮาร์มอนิก การสูญเสียพลังงาน และการสั่นพ้อง

26 นาที6 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

แรงผลักเล็ก ๆ ทำให้ชิงช้าแกว่งกว้างได้ แต่แรงผลักผิดจังหวะกลับทำให้ช้าลง จังหวะของแรงเปลี่ยนการถ่ายโอนพลังงานอย่างไร และเหตุใดการสั่นจริงจึงอ่อนลงเมื่อไม่มีแรงผลักเพิ่ม

ผลักตามทิศการเคลื่อนที่Fที่นั่งเคลื่อนไปทางขวาแรงผลักทำงานเป็นบวกแรงภายนอกให้พลังงาน
ที่นั่งชิงช้าผ่านจุดต่ำสุดโดยเคลื่อนไปทางขวา แรงผลักมีทิศเดียวกับการเคลื่อนที่จึงทำงานเป็นบวก การผลักซ้ำในจังหวะที่เหมาะสมถ่ายโอนพลังงานให้ชิงช้าและเพิ่มแอมพลิจูด โดยแรงต้านจำกัดการเพิ่มนี้

การซ้ำในอุดมคติ

มวลที่ติดสปริงอุดมคติช้าลงอย่างนุ่มนวลใกล้ปลายสุดและผ่านตรงกลางเร็ว การเคลื่อนที่นี้อธิบายด้วยไซน์หรือโคไซน์ การสั่นที่มีแอมพลิจูดกับความถี่คงที่และการกระจัดเป็นไปตามสมการนี้เรียกว่าการสั่นแบบฮาร์มอนิก สปริงอุดมคติและลูกตุ้มมุมเล็กมีพฤติกรรมใกล้เคียงนี้เมื่อการสูญเสียน้อย การเคลื่อนที่เป็นคาบไม่ได้มีรูปแบบนี้ทุกชนิด

แอมพลิจูดและคาบคงที่x, смt, с-40401234T = 2 сA = 4 см; ละเลยการสูญเสีย
กราฟ x = 4 cos(πt) ใช้หน่วยเซนติเมตรและวินาที แอมพลิจูดคงที่เท่ากับ 4 cm และคาบเท่ากับ 2 s ในสี่วินาทีเกิดการสั่นครบสองรอบ นี่เป็นแบบจำลองการสั่นอิสระแบบฮาร์มอนิกเมื่อละเลยการสูญเสียพลังงานได้

อยู่ช่วงใดของรอบ

ลูกตุ้มเหมือนกันสองชุดอาจมีคาบเท่ากัน แต่ชุดหนึ่งอยู่ขวาขณะที่อีกชุดอยู่ซ้าย การทำนายตำแหน่งจึงต้องรู้เฟส φ ซึ่งบอกช่วงของรอบด้วย เฟสมีหน่วยเรเดียน หนึ่งรอบเต็มทำให้เฟสเปลี่ยน 2π เฟสบอกทั้งการกระจัดและทิศการเคลื่อนที่ภายในรอบ เมื่อเพิ่ม 2π สภาพจะซ้ำเดิมเหมือนเข็มนาฬิกาหมุนครบหนึ่งรอบ

ลูกตุ้มเหมือนกัน ณ เวลาเดียวกันxx−A+A0v = 00v = 0Δφ = π — ครึ่งรอบครบหนึ่งรอบ: Δφ = 2π
ลูกตุ้มเหมือนกันสองลูกเบนด้วยมุมเล็กเท่ากันไปคนละด้าน ขณะนี้ลูกหนึ่งอยู่ที่ −A อีกลูกอยู่ที่ +A และทั้งคู่มีความเร็วเป็นศูนย์ คาบของทั้งคู่เท่ากัน และเฟสต่างกัน π หรือครึ่งรอบ

เฟสเปลี่ยนเร็วเพียงใด

ในหนึ่งคาบ T เฟสเพิ่ม 2π อัตราการเปลี่ยนเฟสจึงเป็น ω = 2π/T = 2πν เรียกว่าความถี่เชิงมุม หน่วย rad/s ความถี่ ν นับรอบต่อวินาที ส่วน ω นับเรเดียนของเฟสต่อวินาที การเพิ่ม ν สองเท่าทำให้ ω สองเท่าและ T เหลือครึ่งหนึ่ง ค่าตัวเลขต่างกันด้วยตัวคูณ 2π จึงไม่ควรแทนเฮิรตซ์ลงแทนเรเดียนต่อวินาทีโดยไม่ตรวจสัญลักษณ์ในสูตร

ω = 2π/T = 2πν2π рад ในเวลา Tν — รอบต่อวินาทีГц = 1/сω — เรเดียนต่อวินาทีрад/сวงกลมจำลองการเปลี่ยนเฟส
การหมุนรัศมีเฟสครบหนึ่งรอบแทนเฟสที่เพิ่มขึ้น 2π เรเดียนในคาบ T ความถี่ ν นับจำนวนรอบต่อวินาที ส่วนความถี่เชิงมุม ω นับเรเดียนต่อวินาที: ω = 2πν = 2π/T วงกลมแสดงเฟส ไม่ใช่เส้นทางการเคลื่อนที่ของมวล

เขียนสมการการเคลื่อนที่

รวมคำอธิบายได้เป็น x = A cos(ωt + φ₀) โคไซน์เปลี่ยนซ้ำระหว่าง −1 กับ +1 และ A ขยายเป็นการกระจัดจาก −A ถึง +A หน่วยเมตร ω กำหนดจังหวะการซ้ำ t มีหน่วยวินาที และ φ₀ กำหนดสภาพเริ่มต้น เฟสปัจจุบันคือ ωt + φ₀ ไม่ใช่ φ₀ เพียงอย่างเดียว เมื่อเพิ่ม A กราฟยืดในแนวตั้ง เมื่อเพิ่ม ω กราฟบีบในแนวเวลา

A และ T เท่ากัน แต่ φ₀ ต่างกันx, смt, с-40401234T = 2 сφ₀ = 0φ₀ = π/2x = A cos(ωt + φ₀)
กราฟโคไซน์ทั้งสองมีแอมพลิจูด 4 cm และคาบ 2 s เส้นสีน้ำเงินเริ่มที่ +4 cm โดยมีเฟสต้น 0 ส่วนเส้นสีแดงเริ่มที่ 0 และเคลื่อนที่ไปทางลบ โดยมีเฟสต้น π/2 เฟสขณะใดขณะหนึ่งของแต่ละการสั่นเท่ากับ ωt + φ₀ และเพิ่มขึ้น 2π ในหนึ่งคาบ

โคไซน์บอกสภาพการสั่น

ตรวจจากการปล่อยที่คุ้นเคย ดึงมวลไปที่ +A แล้วปล่อยโดยไม่ผลัก จะได้ φ₀ = 0 เพราะ cos 0 = 1 หลัง T/4 เฟสเป็น π/2 และ x = 0 หลัง T/2 เฟสเป็น π และ x = −A ค่า x = 0 เกิดสองครั้งต่อรอบแต่มีทิศการเคลื่อนที่ตรงข้าม ต้องเลือกเฟสต้นจากสภาพเริ่มต้นทั้งหมด ไม่ใช่จากพิกัดค่าเดียว

x = A cos(ωt), φ₀ = 00T/4T/2T+A0−Ax, мt, сที่ T/4 มวลเคลื่อนไปหา −A
หนึ่งคาบของโคไซน์เริ่มที่ x = +A เมื่อผ่าน T/4 พิกัดเป็นศูนย์และกำลังลดลง เมื่อผ่าน T/2 มวลถึง −A และเมื่อผ่าน T กลับถึง +A จุดที่ทำเครื่องหมายอยู่บนกราฟโคไซน์ที่ถูกต้อง

เหตุใดแอมพลิจูดลดลง

ชิงช้าจริงหยุดลงในที่สุดแม้ไม่ได้ตั้งใจเบรก แรงต้านทำงานลบ เปลี่ยนพลังงานกลบางส่วนเป็นพลังงานภายในของวัตถุและอากาศ การสั่นอิสระที่เริ่มด้วยการดึงหรือผลักครั้งเดียวจึงเป็นการสั่นแบบหน่วง แอมพลิจูดลดลง หากตัดการสูญเสียออกในแบบจำลอง แอมพลิจูดจะไม่ลด สูตรที่มี A คงที่ค่าเดียวจึงอธิบายการสั่นแบบหน่วงทั้งหมดอย่างแม่นยำไม่ได้

แอมพลิจูดลดลงทั้งสองด้านx, смt, с-4040246การสั่นอิสระ: Eмех → U
ในตัวอย่างนี้ x = 4e^(−t/3)cos(πt) โดย x มีหน่วยเซนติเมตร และ t มีหน่วยวินาที เส้นขอบสีเทาสองเส้นแสดงการลดลงของแอมพลิจูดทั้งสองด้านของตำแหน่งสมดุล แรงต้านทำให้พลังงานกลเปลี่ยนเป็นพลังงานภายใน หากไม่มีพลังงานจากภายนอก การสั่นจะค่อย ๆ ลดลง

จังหวะจากภายนอก

เพื่อไม่ให้ชิงช้าหยุด ให้พลังงานเป็นคาบ จะเกิดการสั่นแบบบังคับ ความถี่ธรรมชาติบอกลักษณะการสั่นอิสระของระบบ ส่วนแหล่งกำเนิดเลือกความถี่แรงขับ สำหรับระบบเชิงเส้นที่รับแรงไซน์ เมื่อการสั่นชั่วคราวช่วงต้นลดลงแล้ว การสั่นคงตัวมีความถี่เท่ากับแรง ความถี่สองชนิดนี้อาจต่างกัน และการตอบสนองขึ้นกับว่าใกล้กันเพียงใด

หลังช่วงเปลี่ยนผ่านสิ้นสุดF, Нx, см012t, с1−11−1แรงและการตอบสนอง: คาบ 1 с
หลังการเคลื่อนที่ช่วงเปลี่ยนผ่านลดลงจนหมด แรงและการกระจัดมีคาบเดียวกันคือ 1 s ในตัวอย่างนี้ความถี่แรงภายนอกเท่ากับความถี่ธรรมชาติ และการกระจัดมีเฟสตามหลังแรงหนึ่งในสี่รอบ โดยทั่วไปความถี่แรงภายนอกอาจต่างจากความถี่ธรรมชาติ แต่การตอบสนองในสภาวะคงตัวยังคงมีความถี่เท่ากับแรง

การตอบสนองแบบสั่นพ้อง

ลองผลักชิงช้าด้วยจังหวะต่างกัน เมื่อสูญเสียน้อย แอมพลิจูดจะมากเป็นพิเศษหากความถี่แรงขับใกล้ความถี่ธรรมชาติ เพราะถ่ายโอนพลังงานได้ดีจากรอบหนึ่งสู่อีกรอบ การตอบสนองที่เพิ่มขึ้นนี้เรียกว่าการสั่นพ้อง ความถี่ไม่ได้สร้างพลังงาน คนผลักเป็นผู้ทำงาน แบบจำลองอุดมคติไร้การสูญเสียให้แอมพลิจูดเพิ่มได้ แต่ในระบบจริง การเพิ่มนี้เปลี่ยนสมดุลระหว่างพลังงานเข้าและพลังงานที่สูญเสีย

แอมพลิจูดกับความถี่แรงภายนอกA, смν, Гц0246012สูญเสียน้อยν₀ = 1 Гцแรงภายนอกให้พลังงาน
กราฟนี้คำนวณการตอบสนองต่อความถี่ของระบบเชิงเส้นที่มีความถี่ธรรมชาติ 1 Hz และแรงต้านน้อย เมื่อแอมพลิจูดของแรงภายนอกคงที่ การตอบสนองมีค่าสูงสุดอย่างต่อเนื่องใกล้ความถี่นี้ แรงภายนอกนำพลังงานเข้าสู่ระบบ ส่วนการสูญเสียจำกัดแอมพลิจูด

การสูญเสียจำกัดการเพิ่ม

เหตุใดชิงช้าจริงจึงไม่มีแอมพลิจูดอนันต์ เมื่อการเคลื่อนที่มากขึ้น แรงเสียดทานและแรงต้านจำกัดการตอบสนอง และเงื่อนไขเชิงเส้นอาจใช้ไม่ได้ อุปกรณ์หน่วงสลายพลังงานกลและลดการสั่นพ้องของเครื่องจักร ส่วนเครื่องดนตรีได้ประโยชน์จากการตอบสนองที่มากขึ้นในช่วงความถี่ที่ต้องการ กลไกเดียวกันให้ผลต่างกันตามพารามิเตอร์ระบบ ความถี่แรงขับ และการสูญเสีย

m, k และแรงภายนอกเท่ากันA, смν, Гц0246012สูญเสียน้อยกว่าสูญเสียมากกว่าν₀ = 1 Гц — ความถี่ธรรมชาติ
กราฟการตอบสนองทั้งสองคำนวณสำหรับระบบเชิงเส้นเดียวกันที่มีความถี่ธรรมชาติ 1 Hz และแอมพลิจูดแรงภายนอกเท่ากัน เมื่อสูญเสียน้อย ยอดจะสูงและแคบ เมื่อสูญเสียมาก ยอดจะต่ำและกว้าง เมื่อมีการหน่วง ความถี่ที่ให้แอมพลิจูดสูงสุดอาจต่างจากความถี่ธรรมชาติเล็กน้อย

พิกัดหลังครึ่งคาบ

มวลสั่นตาม x = 0,04 cos(πt) โดย x หน่วยเมตรและ t หน่วยวินาที จงหาแอมพลิจูด คาบ และ x หลัง 1 s

กำหนดสมการการเคลื่อนที่x = 0,04 cos(πt)−0,040+0,04x, мt = 0มวลบนพื้นราบไร้แรงเสียดทานA, T และ x(1 с) — ?t มีหน่วยวินาที
มวลก้อนหนึ่งเคลื่อนที่บนพื้นแนวราบที่ไม่มีแรงเสียดทาน เลือกจุดกำเนิดพิกัดที่ตำแหน่งสมดุล เริ่มต้นจุดศูนย์กลางมวลอยู่ที่ +0.04 m สมการการเคลื่อนที่ใช้หน่วยเมตรและวินาที จงหาแอมพลิจูด คาบ และพิกัดหลังหนึ่งวินาที

ลองดูตัวอย่าง · 1

เปรียบเทียบ x = 0,04 cos(πt) กับ x = A cos(ωt + φ₀) สัมประสิทธิ์หน้าโคไซน์ให้ A = 0,04 м = 4 см; ω = π рад/с, φ₀ = 0.

เทียบกับ x = A cos(ωt + φ₀)x = 0,04 cos(πt)−0,040+0,04x, мt = 0มวลบนพื้นราบไร้แรงเสียดทานA = 0,04 м; ω = π рад/сφ₀ = 0 — เริ่มที่ +A
ใช้แกนและตำแหน่งเริ่มต้นของมวลเดิม เมื่อเทียบกับ x = A cos(ωt + φ₀) ตัวคูณหน้าฟังก์ชันให้ A = 0,04 м สัมประสิทธิ์ของเวลาให้ ω = π рад/с และเฟสต้นเท่ากับศูนย์

ลองดูตัวอย่าง · 2

เฟสเพิ่มครบหนึ่งรอบ 2π ใช้เวลา T = 2π/ω = 2 с ดังนั้น 1 s คือครึ่งคาบ

หาเวลาที่ใช้ครบหนึ่งรอบx = 0,04 cos(πt)−0,040+0,04x, мt = 0มวลบนพื้นราบไร้แรงเสียดทานT = 2π/ω = 2π/π = 2 с1 с = T/2
มวลเดิมเริ่มที่ +0.04 m ในหนึ่งรอบเฟสเพิ่มขึ้น 2π เรเดียน เมื่อ ω = π рад/с จึงใช้เวลาสองวินาที ดังนั้นหนึ่งวินาทีเท่ากับครึ่งคาบ

ลองดูตัวอย่าง · 3

x(1) = 0,04 cos π = −0,04 м = −4 см.

แทน t = 1 сx = 0,04 cos(πt)−0,040+0,04x, мt = 1 сt = 0มวลบนพื้นราบไร้แรงเสียดทานx(1) = 0,04 cos π = −0,04 мcos π = −1
หลังหนึ่งวินาที จุดศูนย์กลางมวลเดิมอยู่ที่ −0.04 m บนแกนเดิม เส้นร่างสีจางแสดงตำแหน่งเริ่มต้น +0.04 m เมื่อแทนค่าได้ cos π = −1 พิกัดจึงเป็นลบ

ลองดูตัวอย่าง · 4

มวลเริ่มที่ปลายขวา +A และถึงปลายซ้าย −A หลังครึ่งรอบ สอดคล้องกับพิกัดที่คำนวณได้ ซึ่งมีขนาดไม่เกินแอมพลิจูด

ครึ่งรอบ — ปลายอีกด้านx = 0,04 cos(πt)−0,040+0,04x, мt = 1 сt = 0มวลบนพื้นราบไร้แรงเสียดทาน+4 см → 0 → −4 см ใน T/2|x| ≤ A; ที่ปลาย v = 0
เส้นร่างสีจางแสดงมวลเริ่มต้นที่ +4 cm ส่วนมวลสีเข้มคือวัตถุเดิมหลังหนึ่งวินาทีที่ −4 cm ในครึ่งคาบ มวลผ่านตำแหน่งสมดุลไปถึงปลายอีกด้าน ที่ปลายทั้งสองความเร็วเป็นศูนย์ และขนาดของพิกัดเท่ากับแอมพลิจูด

ตรวจสอบผลลัพธ์

A = 4 см, T = 2 с, x(1 с) = −4 см ในหนึ่งวินาที มวลเคลื่อนจากตำแหน่งปลายบวกไปถึงปลายตรงข้าม

ประเด็นสำคัญ · 1

สมการฮาร์มอนิกแยกแอมพลิจูด A อัตรา ω และสภาพต้น φ₀ ออกจากกัน เฟสปัจจุบันเปลี่ยนตามเวลา

ประเด็นสำคัญ · 2

การหน่วงถ่ายโอนพลังงานกลไปเป็นรูปอื่น การรักษาการเคลื่อนที่จึงต้องมีพลังงานเข้า

ประเด็นสำคัญ · 3

การสั่นพ้องเพิ่มการตอบสนองต่อแรงภายนอกที่ความถี่เหมาะสม โดยพลังงานยังมาจากภายนอก

เรียนอะไรต่อ

เมื่อการสั่นส่งต่อไปยังส่วนข้างเคียง จะเกิดคลื่น

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

การสั่นแบบหน่วงและบังคับ

การสั่นแบบหน่วงมีแอมพลิจูดลดลงเพราะแรงต้าน ส่วนการสั่นแบบบังคับคงอยู่ได้ด้วยแรงภายนอกที่เป็นคาบ

หลังช่วงชั่วคราวสลายไป ระบบที่ถูกบังคับสั่นด้วยความถี่ของแรงขับ

การสั่นแบบฮาร์มอนิก

การสั่นที่พิกัดเปลี่ยนตามไซน์หรือโคไซน์ด้วยความถี่คงที่

เฟสบอกสภาพของระบบสั่น ณ ขณะที่เลือก และช่วยเปรียบเทียบการสั่นต่าง ๆ

การสั่นพ้อง

การเพิ่มมากของแอมพลิจูดการสั่นแบบบังคับเมื่อความถี่แรงขับใกล้ความถี่ธรรมชาติ

การสั่นพ้องมีประโยชน์ในเครื่องดนตรีและเทคโนโลยีวิทยุ แต่อาจเป็นอันตรายต่อสะพานและเครื่องจักรที่ไม่มีการหน่วง

ปริมาณทางฟิสิกส์

2 ปริมาณ

เฟส

\varphi

φ คือเฟสปัจจุบัน และ φ₀ คือเฟสต้นเมื่อ t = 0 สำหรับการสั่นแบบฮาร์มอนิก φ = ωt + φ₀ โดยเฟสบอกช่วงของการสั่นภายในหนึ่งคาบ

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

ความถี่เชิงมุม

\omega

อัตราการเปลี่ยนเฟสของการสั่นแบบฮาร์มอนิก

หน่วย: เรเดียนต่อวินาที · \frac{\mathrm{рад}}{\mathrm{с}}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

กฎฮาร์มอนิก

x=A\cos(\omega t+\varphi_0)

การกระจัดจากสมดุลเท่ากับแอมพลิจูดคูณโคไซน์ของเฟสปัจจุบัน ωt + φ₀ โดย φ₀ คือเฟสต้น

เงื่อนไข: การสั่นแบบฮาร์มอนิกที่แอมพลิจูดและความถี่คงที่ โดยพิกัดศูนย์อยู่ที่สมดุล

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

การสั่นพ้องและการหน่วง

A = F₀/√[(k − mω²)² + b²ω²]; ω = 2πν

ตัวสั่นเชิงเส้น m = 1 kg, k = 4π² N/m, F₀ = 1 N และแรงต้าน −bv แสดงเฉพาะการตอบสนองในสถานะคงตัว ไม่รวมช่วงเปลี่ยนผ่านแรกเริ่ม

ที่ ν = 1 Hz ถ้าเพิ่มสัมประสิทธิ์การหน่วงจาก 0.5 เป็น 1 kg/s แอมพลิจูดในสถานะคงตัวจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

0-0.03820.50.0604810.15921.50.257820.3565A, мν, Гц
A

ผลการคำนวณ

A
0.3183 м
อธิบายผล

การหน่วงจำกัดแอมพลิจูดและทำให้ยอดกว้างขึ้น เมื่อมีการหน่วง ความถี่ที่ยอดต่ำกว่าความถี่ธรรมชาติ 1 Hz เล็กน้อย การสั่นพ้องไม่ได้หมายถึงแอมพลิจูดอนันต์

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ