Основы теории колебаний механических систем. Основы теории колебаний

Программа курса теория колебаний для студентов 4 курса ФАКИ


Дисциплина опирается на результаты таких дисциплин, как классическая общая алгебра, теория обыкновенных дифференциальных уравнений, теоретическая механика, теория функций комплексного переменного. Особенностью изучения дисциплины является частое обращение к аппарату математического анализа и других смежных математических дисциплин, использование практически важных примеров из предметной области теоретической механики, физики, электротехники, акустики.


1. Качественный анализ движения в консервативной системе с одной степенью свободы

  • Метод фазовой плоскости
  • Зависимость периода колебаний от амплитуды. Мягкие и жесткие системы

2. Уравнение Дюффинга

  • Выражение для общего решения уравнения Дюффинга в эллиптических функциях

3. Квазилинейные системы

  • Переменные Ван-дер-Поля
  • Метод усреднения

4. Релаксационные колебания

  • Уравнение Ван-дер-Поля
  • Сингулярно возмущенные системы дифференциальных уравнений

5. Динамика нелинейных автономных систем общего вида с одной степенью свободы

  • Понятие «грубости» динамической системы
  • Бифуркации динамических систем

6. Элементы теории Флоке

  • Нормальные решения и мультипликаторы линейных систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами
  • Параметрический резонанс

7. Уравнение Хилла

  • Анализ поведения решений уравнения типа Хилла как иллюстрация применения теории Флоке к линейным гамильтоновым системам с периодическими коэффициентами
  • Уравнение Матье как частный случай уравнения типа Хилла. Диаграмма Айнса-Стретта

8. Вынужденные колебания в системе с нелинейной восстанавливающей силой

  • Связь амплитуды колебаний с величиной вынуждающей силы, прикладываемой к системе
  • Изменение режима движения при изменении частоты вынуждающей силы. Понятие о «динамическом» гистерезисе

9. Адиабатические инварианты

  • Переменные «действие-угол»
  • Сохранение адиабатических инвариантов при качественном изменении характера движения

10. Динамика многомерных динамических систем

  • Понятие об эргодичности и перемешивании в динамических системах
  • Отображение Пуанкаре

11. Уравнения Лоренца. Странный аттрактор

  • Уравнения Лоренца как модель термоконвекции
  • Бифуркации решений уравнений Лоренца. Переход к хаосу
  • Фрактальная структура странного аттрактора

12. Одномерные отображения. Универсальность Фейгенбаума

  • Квадратичное отображение – простейшее нелинейное отображение
  • Периодические орбиты отображений. Бифуркации периодических орбит

Литература (основная)

1. Моисеев Н.Н. Асимптотические методы нелинейной механики. – М.: Наука, 1981.

2. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. Изд. 2-е. НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000.

3. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. – М.: Наука, 1974.

4. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Введение в теорию нелинейных колебаний. – М.: Наука, 1987.

5. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. – М.: Наука, 1990.

6. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры.. – М.: Физматлит, 2003.

Литература (дополнительная)

7. Журавлёв В.Ф., Климов Д.М. Прикладные методы в теории колебаний. Издательство «Наука», 1988.

8. Стокер Дж. Нелинейные колебания в механических и электрических системах. – М.: Иностранная литература, 1952.

9. Старжинский В.М., Прикладные методы нелинейных колебаний. – М.: Наука, 1977.

10. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. – М.: Мир, 1968.

11. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. – М.: Физматгиз, 1959.

Книга знакомит читателя с общими свойствами колебательных процессов, происходящих в радиотехнических, оптических и других системах, а также с различными качественными и количественными методами их изучения. Значительное внимание уделено рассмотрению параметрических, автоколебательных и других нелинейных колебательных систем.
Изучение описанных в книге колебательных систем и процессов в них приведено известными методами теории колебаний без подробного изложения и обоснования самих методов. Главное внимание уделено выяснению принципиальных особенностей изучаемых колебательных моделей реальных систем с использованием наиболее адекватных методов анализа.

Свободные колебания в контуре с нелинейной индуктивностью.
Рассмотрим теперь другой пример электрической нелинейной консервативной системы, а именно - контур с индуктивностью, зависящей от протекающего по нему тока. Этот случай не имеет наглядного и простого нерелятивистского механического аналога, так как зависимость самоиндукции от тока эквивалентна для механики случаю зависимости массы от скорости.

С электрическими системами подобного типа мы встречаемся тогда, когда в индуктивностях используются сердечники из ферромагнитного материала. В таких случаях для каждого данного сердечника можно получить зависимость между намагничивающим нолем и потоком магнитной индукции. Кривая, изображающая эту зависимость, называется кривой намагничения. Если пренебречь явлением гистерезиса, то примерный ее ход можно представить графиком, изображенным на рис. 1.13. Так как величина поля Н пропорциональна току, текущему в катушке, то по оси абсцисс можно прямо в соответствующем масштабе откладывать ток.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Основы теории колебаний, Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н., 1978 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

  • Начала теоретической физики, Механика, теория поля, элементы квантовой механики, Медведев Б.В., 2007
  • Курс физики, Ершов А.П., Федотович Г.В., Харитонов В.Г., Прууэл Э.Р., Медведев Д.А.
  • Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики, Лашутина Н.Г., Макашова О.В., Медведев Р.М., 1988

Развитие современной техники ставит перед инженерами самые разнообразные задачи, связанные с расчетом различных сооружений, с проектированием, производством и эксплуатацией всевозможных машин и механизмов.

Исследование поведения любой механической системы всегда начинается с выбора физической модели. Переходя от реальной системы к ее физической модели обычно упрощают систему, пренебрегая несущественными для данной задачи факторами. Так, исследуя систему, состоящую из груза, подвешенного на нити, пренебрегают размерами груза, массой и податливостью нити, сопротивлением среды, трением в точке подвеса и т.д.; при этом получается известная физическая модель - математический маятник.

Ограниченность физических моделей играет существенную роль при исследовании колебательных явлений в механических системах.

Физические модели, которые описываются системами линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами принято называть линейными.

Выделение линейных моделей в особый класс вызывается рядом причин:

    С помощью линейных моделей исследуется широкий круг явлений, происходящих в различных механических системах;

    Интегрирование линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами является, с математической точки зрения, элементарной задачей и поэтому инженер–исследователь стремится по возможности описать поведение системы с помощью линейной модели.

Основные понятия и определения

Колебания системы считаются малыми, если отклонения и скорости можно рассматривать как величины первого порядка малости по сравнению с характерными размерами и скоростями точек системы.

Механическая система может совершать малые колебания только вблизи устойчивого положения равновесия. Равновесие системы может быть устойчивым, неустойчивым и безразличным (рис. 3. 8).

Рис. 3. 8 Различные виды равновесия

Равновесное положение системы является устойчивым, если система, равновесие которой нарушено весьма малым начальным отклонением и (или) малой начальной скоростью, совершает движение около этого положения.

Критерий устойчивости положения равновесия консервативных систем с голономными и стационарными связями устанавливается по виду зависимости потенциальной энергии системы от обобщённых координат. Для консервативной системы c
степенями свободы, уравнения равновесия имеют вид

, т.е.
, где
.

Сами уравнения равновесия не дают возможности оценить характер устойчивости или неустойчивости положения равновесия. Из них лишь следует, что положению равновесия соответствует экстремальное значение потенциальной энергии.

Условие устойчивости положения равновесия (достаточное) устанавливается теоремой Лагранжа – Дирихле:

если в положении равновесия системы потенциальная энергия имеет минимум, то это положение устойчиво.

Условием минимума любой функции является положительность второй производной от неё, при равенстве первой производной нулю. Поэтому

.

Если же вторая производная тоже равна нулю, то для оценки устойчивости необходимо вычислить последовательные производные

,

и если первая не равная нулю производная имеет чётный порядок и при этом положительна, то потенциальная энергия при
имеет минимум, а следовательно, это положение равновесия системы устойчиво. Если же эта производная имеет нечётный порядок, то при
нет ни максимума, ни минимума. Оценка состояния равновесия системы в положении, когда она не имеет минимума потенциальной энергии, приводится в специальных теоремах А. М. Ляпунова.

Колебательным движением называется всякое движение или изменение состояния, характеризуемое той или иной степенью повторяемости во времени значений физических величин, определяющих это движение или состояние. Колебания свойственны всем явлениям природы: пульсирует излучение звезд; с высокой степенью периодичности вращаются планеты Солнечной системы; ветры возбуждают колебания и волны на поверхности воды; внутри любого живого организма непрерывно происходят разнообразные, ритмично повторяющиеся процессы, например, с удивительной надежностью бьется человеческое сердце.

В физике выделяются колебания механические и электромагнитные. С помощью распространяющихся механических колебаний плотности и давления воздуха, воспринимаемых нами как звук, а также очень быстрых колебаний электрических и магнитных полей, воспринимаемых нами как свет, мы получаем большое число прямой информации об окружающем мире. Примерами колебательного движения в механике могут быть колебания маятников, струн, мостов и т.д.

Колебания называются периодическими , если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени. Простейшим типом периодических колебаний являются гармонические колебания. Гармоническими называются колебания, при которых изменение колеблющейся величины со временем происходит по закону синуса (или косинуса):

где x – смещение от положение равновесия;

А – амплитуда колебания – максимальное смещение от положения равновесия;

- циклическая частота;

- начальная фаза колебания;

- фаза колебания; она определяет смещение в любой момент времени, т.е. определяет состояние колебательной системы.

В случае строго гармонических колебаний величины А, ине зависят от времени.

Циклическая частота связана с периодом Т колебаний и частотойсоотношением:

(2)

Периодом Т колебаний называется наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебания.

Частотой колебаний называется число полных колебаний, совершаемых за единицу времени, измеряется в герцах (1 Гц = 1
).

Циклическая частота численно равна числу колебаний, совершаемых за 2 секунд.

Колебания, возникающее в системе, не подверженной действию переменных внешних сил, в результате какого-либо начального отклонения этой системы от состояния устойчивого равновесия, называются свободными (или собственными).

Если система консервативная, то при колебаниях не происходит рассеяния энергии. В этом случае свободные колебания называются незатухающими .

Скорость колебания точки определим как производную от смещения по времени:

(3)

Ускорение колеблющейся точки равно производной от скорости по времени:

(4)

Уравнение (4) показывает, что ускорение при гармонических колебаниях – переменно, следовательно, колебание обусловлено действием переменной силы.

Второй закон Ньютона позволяет в общем виде записать связь между силой F и ускорением при прямолинейных гармонических колебаниях материальной точки с массой
:

где
, (6)

к – коэффициент упругости.

Таким образом, сила, вызывающая гармонические колебания, пропорциональна смещению и направлена против смещения. В связи с этим можно дать динамическое определение гармонического колебания: гармоническим называется колебание, вызываемое силой, прямо пропорциональной смещению х и направленной против смещения.

Возвращающей силой может быть, например, сила упругости. Силы, имеющие иную природу, чем упругие силы, но также удовлетворяющие условию (5), называются квазиупругими .

В случае прямолинейных колебаний вдоль оси х ускорение равно:

.

Подставив это выражение для ускорения и значение силы
во второй закон Ньютона, получимосновное уравнение прямолинейных гармонических колебиний:


или
(7)

Решением этого уравнения является уравнение (1).

Похожие публикации