Межпредметные связи физики и музыки

Для наилучшего представления этого колебания вообразим движение точки Q, описывающей с постоянной угловой скоростью w окружность радиуса a.Проекция радиуса a на ось x равна

idth=18 height=18 src="images/referats/29206/image002.png">Q

a Aaa x

x=acos(wt+j) (3.1)

где t–произвольный момент времени, j -начальная фаза колебаний. Формула (1.1) описывает гармонические колебания с периодом

T = 2p/w (3.1¢)

В акустике используют так называемую линейную частоту колебаний:

n=w/ 2p (3.1¢¢)

Скорость точки, совершающей колебания по закону (3.1) найдём как

u= dx/dt = - wa sin(wt+j) (3.2)

Колебательная система обладает одной степенью свободы, если всевозможные конфигурации, которые она способна принимать, можно различить, приписывая соответствующие значения только одной переменной величине так называемой «обобщенной координате». Так, положение цилиндра, катящегося по горизонтальной плоскости, определяется углом, на который он поворачивается относительно некоторого начального положения.

Обозначим через q обобщённую координату, определяющую конфигурацию системы с одной степенью свободы. Если в результате бесконечно малого изменения координаты dq, частица массы m проходит путь dS, то

dS=adq (3.3)

где a - коэффициент, обычно различный для различных частиц, а также зависящий от той конкретной конфигурации q, которая подверглась изменению. Отсюда, разделив на приращение времени Δt, получим для скорости этой частицы

V=adq/dt=aq¢ (3.4)

Следовательно кинетическая энергия частицы

T=½(mV²)=½aq¢² (3.5)

Где

a=(ma)²

Коэффициент a является, вообще говоря, функцией q; его можно назвать «коэффициентом инерции» для данной конфигурации q. Например, в случае цилиндра если q – угловая координата, то a – момент инерции (обычно переменный) относительно линии соприкосновения цилиндра с горизонтальной плоскостью. Потенциальная энергия системы, поскольку она зависит от конфигурации системы, является функцией только координаты q. Если обозначить её через f, то по закону сохранения энергии

½aq¢²+f=const (3.6)

при условии, что система свободна от действия внешних сил. Значение const, количественно, определяется начальными условиями. Если продифференцировать это уравнение по t и почленно поделить на q¢ то получим

aq¢¢+½(da/dq)q¢²+df/dq=0 (3.7)

Это выражение можно рассматривать как уравнение свободного движения системы, из которого исключены неизвестные реакции между её частями. Для случая малых колебаний уравнение сильно упрощается. Для существования положения равновесия уравнение должно удовлетворяться при q=const.Это требует выполнения

df/dq=0 (3.8)

значит, равновесная конфигурация характеризуется тем, что при малых отклонениях от положения равновесия потенциальная энергия «стационарна». Прибавляя или отнимая некоторую константу, можно выбирать q т.о., чтобы оно обращалась в ноль при рассматриваемой нами равновесной конфигурации; тогда, разлагая в степенной ряд по малой величине q, имеем

f=const+½cq²+… (3.9) [13]

Ввиду стационарности f в положении равновесия, в разложении отсутствует член с первой степенью q. Const=C>0, если равновесная конфигурация устойчива, и f имеет минимум. Её можно назвать «коэффициентом устойчивости». Подставив в (3.7) уравнение (3.9) и опустив члены второго порядка относительно q и q′ получим :

aq¢¢+Cq=0 (3.10)

где a теперь можно считать постоянной величиной, имеющей значение, соответствующее конфигурации равновесия.

C/a=w² (3.10')

и следовательно

q=Ccos((wt+j) (3.11)

_т.е. гармоническая функция и

n=1/2pÖC/a (3.11¢)

Далее, поскольку смещение от положения равновесия любой части системы при её движении по своей траектории пропорционально q (в приведённых выше обозначениях оно равно aq), мы видим, что каждая частица совершает гармонические колебания с указанной частотой и отдельные частицы движутся синхронно, одновременно проходя через средние положения. Кроме того, амплитуды колебаний разных частиц находятся в постоянном отношении друг к другу; произвольны только абсолютная величина амплитуды и фаза колебания; они зависят от заданных начальных условий. Кинетическая и потенциальная энергии будут соответственно равны:

T=½aq¢²=½n²aC²sin²(wt+j) (3.12)

f=½cq²=½cC²cos²(wt+j) (3.13)

а их сумма

T+f=½w²aC²+½cC² (3.14)

Средние значения sin²(wt+j)=cos²(wt+j)=½, поэтому энергия системы в среднем является наполовину кинетической и наполовину потенциальной. Для приложения теории к частным случаям требуется только вычислить коэффициенты a и c, причём (в задачах механики) вычисление последнего обычно более сложно. В случае тела, подвешенного на проволоке и совершающего крутильные колебания вокруг оси проволоки, a-момент инерции относительно этой оси, а c-коэффициент крутильного момента, т.е. cq-это крутильный момент, возникающий при повороте тела на угол q.

Если в задаче о массе, подвешенной на пружине предположить, что вертикальное перемещение любой точки пружины пропорционально расстоянию z от точки подвеса при отсутствии растяжения, то кинетическая энергия определяется следующим выражением:

2T=Mq¢²+0òl(z/l)²q¢²rdz=(M+1/3rl)q¢² (3.15)

где r - линейная плотность, l - длина пружины в нерастянутом состоянии и q смещение груза.

Вынужденные колебания

Рассмотрим синусоидальную периодическую силу с некоторой определённой частотой. Если эта сила приложена к механической системе, то система будет колебаться по синусоидальному закону с той же частотой. Совпадение частоты изменения силы с частотой колебательного процесса характерно для вынужденных колебаний. Вынужденные колебания могут возникать в самых разных условиях. Существенной особенностью возбуждающей колебания силы является то, что модуль её остаётся неизменным вне зависимости от того, вибрирует или нет тело, к которому эта сила приложена. Если частота возбуждающей силы сравнима с собственной частотой системы, то следует ожидать интенсивных колебаний, называемых резонансом.

Явление резонанса может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие. Например, при создании музыкальных инструментов, для усиления их звучания, используют резонаторы, в качестве которых выступает корпус музыкальных инструментов. Кроме этого при помощи резонанса можно, не прилагая особых усилий, привести в движение достаточно массивное тело. С другой стороны, в случае, когда амплитуда колебаний превышает силы упругости колеблющегося тела, резонанс оказывает отрицательное воздействие. В промышленности, для гашения нежелательных резонирующих колебаний, существует два различных метода: первый метод состоит в «отстройке» системы путём такого изменения собственных частот, чтобы они не совпадали с частотами возбуждения или наоборот изменять частоту возбуждающей силы; второй метод заключается в специальном увеличении демпфирования системы. Первый метод наиболее эффективен, но его не всегда можно осуществить. При большом демпфировании интенсивные колебания мало вероятны и поэтому на практике расчёт существующих резонансных частот не отличается от расчёта собственных частот систем без сил трения. В тех случаях, где отстройка системы невозможно применяются демпферы.