卡片 1:简谐振动
问题:简谐振动的条件是什么?方程是什么?常用的求解方法有哪些?
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条件:以稳定平衡位置为原点,合力为线性恢复力,且无阻尼、无外加驱动力:
为质量, 为劲度系数。由牛顿第二定律:
、 分别为振幅、初相,由初始条件确定。
常用方法:
- 动力学法:列运动方程;必要时先作小量近似,化为简谐振动方程。
- 能量法:写出 ,对时间求导,得到运动方程。
- 旋转矢量法:将简谐振动看作匀速旋转矢量的投影,处理相位、时间和合成问题。
关联笔记:简谐振动
卡片 2:复数表示
问题:简谐振动如何用复数表示?如何提取实际物理量?
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复数表示:
,波浪号表示辅助计算的复数量。取实部得到实际位移:
微分变乘法:
实际速度、加速度分别为 、。
振幅取复数的模,不是取实部:
星号表示复共轭。简谐振动中 为常量, 为随时间变化的瞬时位移。
关联笔记:复数法表示振动
卡片 3:同频率、同方向的合成
问题:同频率、同方向的简谐振动如何合成?(答案中强调旋转矢量法)
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设 ,。
旋转矢量法:两振幅矢量以相同角速度旋转,相对夹角不变;矢量和也以同一角速度旋转,所以合振动仍为同频简谐振动。由后两式共同确定初相所在象限,不能只凭 判断。
- 相长:,。
- 相消:,。
;完全相消时 ,合振动初相无定义。
关联笔记:同频率、同方向的合成
卡片 4:相互垂直的合成
问题:相互垂直的简谐运动合成后是什么样的?
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同频率:设 、,。记 ,消去 :
- 一般为椭圆。
- :退化为直线 。
- :椭圆的主轴沿坐标轴;再有 ,则为圆。
不同频率:合成轨迹为李萨如图形。两方向振幅均非零、角频率均为正时,运动周期性闭合的条件为频率比是有理数:
为互素正整数。一个最小共同周期内,、 分别完成 、 次振动。
关联笔记:同频率、相互垂直的合成;不同频率、相互垂直
卡片 5:阻尼振动
问题:阻尼振动的动力学方程是什么?如何求解?欠阻尼、过阻尼、临界阻尼的条件与特征分别是什么?(提示:参数 ;复数法)
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阻尼力 ,。 为质量, 为劲度系数:
复数法:设指数解 ,允许 为复数:
两根不同时,对应两个独立指数解;重根时另取独立解。
情形 条件 实通解与特征 欠阻尼 ,;振荡,振幅指数衰减 过阻尼 ,;不持续振荡,通常由慢衰减项主导 临界阻尼 ;重根,不持续振荡 各积分常数由初始条件确定。固定 ,一般初始条件下,临界阻尼在非振荡响应中渐近衰减最快;不代表任意初始条件下最先到达 。
关联笔记:阻尼振动
卡片 6:受迫振动
问题:受迫振动的动力学方程是什么?如何求解?(提示:参数 ;复数法)
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外力为 ,其中 为驱动角频率:
记 、、,则
复数法:把右端写为 ,设稳态特解 , 为复振幅。代入得到
取 、、,则 ;相位须结合象限确定,不能只取反正切主值。
总解 = 齐次通解 + 稳态特解。正阻尼下齐次部分随时间衰减,足够长时间后主要剩下稳态响应。
关联笔记:受迫振动的运动方程与求解
卡片 7:共振
问题:位移共振和速度共振的条件分别是什么?弱阻尼时有什么特殊情况?
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对稳态受迫振动,记 、、,取 ,且 不随驱动频率 变化:
位移共振:使分母平方对 的导数为零:
因而只有 时,存在非零频率处的位移共振峰:
时,没有非零频率处的位移共振峰。
速度共振:比较的是速度振幅 ,不是瞬时速度。改写为
分母在 最小,因此
平均吸收功率等于稳态下的平均耗散功率:
它在速度共振时最大。弱阻尼 时,,位移、速度及平均吸收功率的峰值近似出现在同一频率。
关联笔记:共振
卡片 8:简正模式与简正频率
问题:简正模式是什么?简正频率如何推导?
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简正模式:所有自由度以同一角频率振动,各分量的振幅比、相位差保持不变。
对笔记中的对称系统,两个质量均为 ,两侧弹簧劲度系数均为 ,中间耦合弹簧劲度系数为 ,取 :
设 、,其中 可带符号,代入得
存在非零振幅向量,要求系数行列式为零:
模式 振幅关系 简正角频率 物理图像 同相 中间弹簧不形变 反相 中间弹簧参与回复,频率更高 关联笔记:简正模式
卡片 9:简正坐标
问题:简正坐标是什么?如何求解耦合振子问题?
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简正坐标:将耦合运动方程化为独立模式方程的坐标。对笔记中的对称系统,取
描述同相模式成分, 描述反相模式成分。把原方程相加、相减:
分别求解,:
初始条件由原坐标变换得到:
还原原坐标:
一般运动是两种简正模式的叠加;若只有一个模式的初始位移、初始速度不全为零,则为纯简正模式。
关联笔记:简正坐标
卡片 10:多自由度系统
问题:如何求解多自由度系统的简正频率和简正模式?
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对稳定平衡位置附近的线性、无阻尼、无外驱动系统:
为 维位移向量, 为质量矩阵, 为刚度矩阵;这里取二者均为实对称正定矩阵。
先求频率:设 ,代入得到
非零模式向量 存在的条件为
解得 个正的简正角频率 ,按重数计,数值不一定互不相同。
再求模式:把每个 代回
求对应的非零模式向量 ;各分量给出各自由度的相对振幅和同、反相关系。频率重复时,在对应解空间中选取独立模式。
叠加得到一般运动:选取 个独立模式后,
由初始位移、初始速度确定。简正坐标就是上式中各模式对应的独立振动坐标。
关联笔记:多自由度系统的结论