Инженерная геология, буровые работы  
 

| на главную | к оглавлению |

Связанные гармонические осцилляторы. Упругие волны



Интернет-магазин детских товаров и игрушек "Лига детства"
Подарите незабываемый праздник и море радости ребенку - с душой, улыбкой и удовольствием!
Качественные, безопасные, красивые, оригинальные детские товары и игрушки с доставкой!


Рассмотрим систему связанных осцилляторов (рис.). Такой системой могут служить N маятников, последовательно соединенных пружинами, или система связанных электрических контуров, или, как это показано на рис., набор материальных точек, соединенных пружинами. Если колебания происходят вдоль оси x, то положение системы N материальных точек можно характеризовать заданием N величин смещений от своих положений равновесия. Таким образом, система осцилляторов обладает N степенями свободы, В отсутствие связи между осцилляторами каждый из них может совершать независимые колебания вблизи своего положения равновесия. В этом случае колебания локализованы в определенной области пространства. Но если мы возбудим колебания в системе связанных осцилляторов, то картина будет другой.

Колебания первоначально возбужденного осциллятора, благодаря упругим свойствам пружины, возбудят колебания соседнего осциллятора, который в свою очередь передаст энергию колебаний следующему соседу и т. д. При этом колебание первоначально возбужденного осциллятора прекратится, а передаваемая энергия колебаний будет распространяться вдоль цепочки, приводя к последовательному перемещению с постоянной скоростью сгущений и разрежении упруго связанных масс. Перенос энергии колебаний в пространстве представляет собой распространение волны.

Обратим внимание на два важных обстоятельства. Во-первых, передача колебаний от одного осциллятора другому стала возможной только благодаря упругому их взаимодействию. Таким образом, физическая причина распространения волны — взаимодействие частиц. Во-вторых, сами колеблющиеся массы остаются на своих местах вблизи положений равновесия, т.е. в процессе распространения волны масса не переносится. Происходит только передача энергии колебаний посредством изменения фазы колебания соседней частицы.

Опишем распространение волны математически. При колебаниях отдельного осциллятора величина, которая характеризует его смещение от положения равновесия, зависит только от времени. Так изменяется смещение массы на пружине или угол наклона маятника, т.е. фаза свободного осциллятора зависит только от одной переменной — времени.

При прохождении волны в цепочке связанных осцилляторов смещение каждой из масс зависит от двух величин — времени и расстояния до источника колебаний. Таким образом, смещение каждой из масс

un=un(x,t)                                                           

Запишем уравнение движения произвольно выбранного n-го осциллятора цепочки. При смещении из положения равновесия на массу действует возвращающая упругая сила, равная -kun ( k — жесткость пружины). Одновременно на массу действуют упругие силы, обусловленные смещениями соседних масс: un-1 и un+1. Взаимодействиями с более удаленными соседями пренебрежем. Слева на рассматриваемую массу будет действовать сила, пропорциональная удлинению левой пружины k(un- un-1), а справа — аналогичная сила, пропорциональная уменьшению длины правой пружины — k(un - un+1). В результате уравнение движения примет вид:

.                                          (3.46)

Как уже говорилось, уравнение (3.46) применимо ко многим физическим ситуациям. В частности, оно описывает колебания одномерной цепочки атомов в кристаллической решетке. В этом случае среднее расстояние между атомами является характерной для данного кристалла постоянной величиной, называемой периодом кристаллической решетки. Период решетки очень мал и по величине сравним с размерами атома. При таком расположении атомов в решетке кристалл можно рассматривать как сплошную среду, в которой распределение масс является не дискретным, как на рис., а непрерывным. Будем считать постоянную решетки бесконечно малой величиной. Тогда смещения соседних атомов на расстоянии dx un±1 мало отличаются от смещения un и их можно разложить в ряды, ограничиваясь первыми членами:

,                                  

где знак d/dx означает производную по x в фиксированный момент времени.

После подстановки этих выражений в уравнение (3. 46), получим:

(по той же причине, что и выше, мы стали писать производную в виде d/dt).


 
 

© 2007-2016 pppa.ru - все права защищены
При цитировании материалов и статей обратная ссылка строго обязательна


Детские игрушки: машинки и конструкторы, куклы и кукольные домики, развивающие игры и удивительные наборы. Тысяча наименований.
Интернет-магазин "Лига детства" - это качество и отличный сервис. Весь товар сертифицирован. Оперативная доставка.