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      有質(zhì)量的彈簧振子固有角頻率求解方法研究

      2023-08-21 09:56:23朱小飛劉大鵬
      現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2023年15期

      朱小飛 劉大鵬

      摘?要:在大學(xué)物理機(jī)械振動教學(xué)內(nèi)容中,彈簧振子的振動是重要的內(nèi)容,其力學(xué)模型往往忽略彈簧的質(zhì)量,而彈簧的質(zhì)量對振子固有角頻率的求解有一定的影響。本文在不忽略彈簧質(zhì)量的條件下,用能量法和波動方程法分別求解了有質(zhì)量彈簧振子的固有角頻率,用python計算并討論了這兩種方法的計算精度及應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:彈簧振子;彈簧質(zhì)量;能量法;波動方程法;固有角頻率

      中圖分類號:TB?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A??doi:10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.087

      在大學(xué)物理機(jī)械振動教學(xué)內(nèi)容中,彈簧振子的振動是重要的內(nèi)容,其力學(xué)模型往往忽略彈簧的質(zhì)量。而實際上彈簧是有質(zhì)量的,本文在不忽略彈簧質(zhì)量的條件下,介紹兩種求解彈簧振子固有角頻率的方法。本文討論的問題,如圖1所示,一根彈性系數(shù)為k的彈簧,長為?L,質(zhì)量為m且均勻分布,彈簧各處橫截面相等;彈簧上端點固定,下端點連接一個質(zhì)量為M的質(zhì)點構(gòu)成彈簧振子,求此彈簧振子振動的固有角頻率。

      考慮彈簧本身的質(zhì)量時,我們面對的就是一個分布質(zhì)量系統(tǒng)的振動問題,下面分別介紹求解此問題的能量法和波動方程法,以供參考。

      1?能量法

      能量法的原理是機(jī)械能守恒,這種方法應(yīng)用系統(tǒng)能量函數(shù)把一個分布質(zhì)量系統(tǒng)簡化為一個單自由度系統(tǒng),先假定一個滿足邊界條件的系統(tǒng)振動模式,按照這一振動模式計算系統(tǒng)的哈密頓量,然后由哈密頓量守恒就可以求得對應(yīng)模式的系統(tǒng)固有角頻率。

      我們假定系統(tǒng)振動模式是彈簧各截面在振動過程中同相位,在這種模式下,各截面的位移與它離固定點的距離成正比;因此,當(dāng)質(zhì)點M在某一瞬時的速度為v時,彈簧在l處微段dl的相應(yīng)速度為lvL,動能為dTs=12mL(lvL)2dl。所以整個彈簧的動能為Ts=∫dTs=12mL∫L0(lvL)2dl=16mv2,系統(tǒng)的動能為:

      T=Ts+12mv2=12(M+m3)v2

      此時,若振子(彈簧連接振子端)偏離平衡位置的位移為x,則有v=dxdt;并且彈簧各截面的位移總和即彈簧形變總量亦為x。在保守力作用下,系統(tǒng)的勢能和忽略彈簧質(zhì)量時一樣為:U=12kx2,系統(tǒng)的哈密頓量為:

      H=T+U=12(M+m3)v2+12kx2=常量

      兩邊對t微分得

      (M+m3)d2xdt2+kx=0

      對于簡諧振動,有d2xdt2+ω2x=0,因此求得系統(tǒng)固有角頻率ω為:

      ω=kM+m/3(1)

      (1)式結(jié)果說明,在不忽略彈簧質(zhì)量時,若系統(tǒng)振動可以簡化為單自由度的振動,則其固有角頻率中振子的質(zhì)量M要加上三分之一彈簧質(zhì)量m/3,這個m/3稱為彈簧的等效質(zhì)量。

      2?波動方程法

      2.1?彈性細(xì)桿縱向振動方程的建立

      把彈簧等效為長度為L、橫截面為S、密度為ρ、楊氏彈性模量為Y(Y=kLS)的彈性直桿,原來的彈簧振子模型可用圖2代替。

      以u(x,t)表示桿上x處截面相對其平衡位置的位移,它是截面位置x與時間t的函數(shù),x處微段dx的應(yīng)變?yōu)椋害ぃ╠x)dx=u+uxdx-udx=ux,截面上應(yīng)力為:N=YSux,應(yīng)力沿桿長方向變化率為:Nx=YS2ux2,對微段dx用牛頓定律得:ρSdx2ut2=Nxdx,整理得:

      2ut2=a22ux2(2)

      a=Yρ(3)

      方程(2)是一維波動微分方程,令u(x,t)=U(x)T(t),用分離變量法得到下面兩個常微分方程:

      d2Tdt2+ω2T=0(4)

      d2Udx2+ω2a2U=0?(5)

      方程(4)、(5)的通解分別表示為:

      T(t)=Csin(ωt+φ)(6)

      U(x)=A1sinωax+B1cosωax(7)

      (7)式稱為振型函數(shù),它描繪了桿以固有角頻率ω作簡諧振動時的振動形態(tài),即振動模式(或主振型)。

      波動方程(2)的通解為:

      u(x,t)=(Asinωax+Bcosωax)sin(ωt+φ)(8)

      式中A、B、ω、φ四個待定常數(shù)由邊界條件和初始條件來決定。

      2.2?由邊界條件確定固有角頻率

      對于我們的問題,?彈簧上端固定,得:x=0處,u(x,t)=0,所以(8)式中B=0,得:

      u(x,t)=Asinωax·sin(ωt+φ)(9)

      彈簧下端連接質(zhì)量為M的質(zhì)點,則x=L處,拉力YSux=-M2ut2,將(9)式代入上式得:

      YSωacosωLa=Mω2sinωLa(10)

      由(3)、(10)兩式和m=ρSL得:

      mM=ωLa·tanωLa(11)

      利用Y=kLS和(3)式,(11)式可整理得:

      mM=ωm/Mω0·tanωm/Mω0(12)

      (12)式中ω0=kM,是忽略彈簧質(zhì)量時系統(tǒng)的固有角頻率。

      給定m/M比值,可由作圖法或計算機(jī)數(shù)值計算求超越方程(12)的根,再求得固有角頻率ω。顯然,固有角頻率有無限多個,最小者ω1是第一階固有角頻率(即基頻),其他ωi隨著i值的增加而增加,階次依次為第二階、第三階……

      3?計算和討論

      由(1)和(12)式,用python計算基頻ω1并繪制ω1/ω0~m/M曲線。二分法計算并繪制曲線的主要程序為:

      #二分法計算ω值def?f(m):list?=?[]p1?=?0p2?=?0for?i?in?np.arange(1,3,0.01):x?=?f1(m)y?=?f2(m,i)p1?=?p2p2?=?x?–?y#交叉點if?p1?*?p2?

      圖3?ω1/ω0~m/M曲線

      (1)當(dāng)m/M很小時,tanωm/Mω0≈1/M,由(12)和(1)式,均可得ω=ω0,說明彈簧質(zhì)量與質(zhì)點質(zhì)量相比很小時,求固有角頻率時可以忽略彈簧質(zhì)量。

      (2)由(12)式經(jīng)python數(shù)值計算得:m/M=0.1時,ω1≈0.983635ω0;m/M=1時,ω1≈0.860334ω0??梢姡寒?dāng)m/M=0.1時,忽略彈簧質(zhì)量的解與波動方程法精確解的相對誤差為1.66%,因此,當(dāng)m/M<0.1時,在要求不高的情況下可以忽略彈簧質(zhì)量。

      (3)用能量法求解的結(jié)果(1)式計算基頻ω1,取m/M=0.1時,ω1=0.983739ω0,能量法與波動方程法精確解的相對誤差為0.011%;取m/M=1時,ω1=0.866025ω0,與波動方程法精確解的相對誤差為0.66%??梢姡ǔG闆r下能量法的精度是較高的。

      4?結(jié)語

      通過上述分析和討論,我們在求解彈簧振子的固有角頻率時,波動方程法的結(jié)果雖然精確,但是計算復(fù)雜,需要借助計算機(jī)求解超越方程,一般情況下,不便使用。能量法的結(jié)果是近似解,只能求基頻,但簡便實用。對于常見的彈簧振子,滿足條件m/M<1,用能量法的結(jié)果(1)式計算基頻,可以得到較好的近似值。

      參考文獻(xiàn)

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