Сборник тестовых заданий

Библиографический список

Основной

1. 
   Полунин, В.М. Физика. Физические основы механики [Текст]: конспект лекций / В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2002. 180 с.
   
2. 
   Полунин, В.М. Молекулярная физика и термодинамика [Текст]: конспект лекций / В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2002. 166 с.
   
3. 
   Полунин, В.М. Физика. Основные понятия и законы [Текст]: учеб.-метод. пособие / В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2002. 156 с.
   
4. 
   Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. 7-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2002. 542 с.
   
5. 
   Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: учеб. пособие для втузов: в 5 кн. / И.В. Савельев. М.: Астрель, 2002. Кн. 1. 336 с.
   

Дополнительный

6. 
   Полунин, В.М. Сборник тестовых задач по физике [Текст]: в 2 ч. / В.М. Полунин, Г.Т. Сычёв; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2008. Ч. 1. 323 с.; 4.2. 216 с.
   
7. 
   Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики [Текст] / В.С. Волькенштейн. Изд. доп. и перераб. СПб.: СпецЛит, 2002. 327 с.
   
8. 
   Трофимова, Т.И. Сборник задач по курсу физики для втузов [Текст] / Т.И. Трофимова. 3-е изд. М.: Изд. дом «ОНИКС 21 век», 2003. 384 с.
   
9. 
   Чертов, А.Г. Задачник по физике [Текст]: учеб. пособие для втузов / А.Г. Чертов, А.А. Воробьев. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Физматлит, 2003. 640 с.
   

Приложение 1

Физические основы механики. Основные понятия, определения и законы

Кинематика и динамика

Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение, причины, вызывающие это движение, и происходящие при этом взаимодействия между телами.

Механическое движение – изменение с течением времени взаимного положения тел или их частей (частиц) в пространстве.

Кинематика – раздел механики, в котором изучают геометрические свойства движения и взаимодействия тел в не связи с причинами их порождающими.

Физические модели (научные абстракции) классической механики:

1) материальная точка – протяженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, обладающее массой. Понятие применимо при поступательном движении или когда в изучаемом движении можно пренебречь вращением тела вокруг его центра масс;

2) абсолютно твердое тело – тело, расстояние между двумя любыми точками которого в процессе движения остается неизменным. Применимо, когда можно пренебречь деформацией тела;

3) сплошная изменяемая среда – понятие применимо при изучении движения изменяемой среды (деформируемого твердого тела, жидкости, газа), когда можно пренебречь молекулярной структурой среды.

Система единиц измерения физических величин – совокупность основных и производных эталонов. В настоящее время предпочтительной во всех областях науки и техники является система СИ.

В системе СИ единицами измерения являются: 1) основные – единица измерения длины (L) – 1 м; единица измерения массы (M) – 1 кг; единица измерения времени (T) – 1 с; единица измерения температуры (Т) – 1 К; единица измерения силы тока (I) – 1 А; единица измерения силы света (I) – 1 св.; 2) дополнительные – единица измерения плоского угла – 1 рад; единица измерения телесного угла – 1 стерад.

Тело отсчета – произвольно выбранное, условно неподвижное тело, по отношению к которому рассматривается движение данного тела.

Система отсчета – произвольная система координат, связанная с телом отсчета, например: а) прямоугольная, трехмерная система координат, в точке пересечения осей которой помещают тело отсчета; б) полярная система координат, положение материальной точки (тела) в которой задается радиус – вектором r и углами , .

Траектория движения – совокупность последовательных положений материальной точки (тела) в процессе ее движения.

Поступательное движение – движение, при котором тело перемещается параллельно самому себе. При этом все точки тела описывают одинаковые траектории, смещенные относительно друг друга.

Положение материальной точки (тела) в прямоугольной системе отсчета в данный момент времени может быть определено: с помощью координат x, y, z – M(x,y,z); с помощью радиус – вектора r и естественным (траекторным) способом (рис. П1. 1).



Уравнения движения материальной точки (тела) в кинематике:

x = f₁(t); y = f₂(t); z = f₃(t);

r_x = f₁(t); r_y = f₂(t); r_z = f₃(t),

где x, y, z – координаты;

r_x, r_y, r_z – проекции радиуса вектора r на соответствующие оси координат.

Основные понятия и определения кинематики материальной точки и твердого тела, движущегося поступательно:

1) перемещение (рис. П1.2) – вектор r, проведенный из начального положения материальной точки (тела) в положение этой точки в данный момент времени (приращение радиус-вектора за рассматриваемый промежуток времени):

r = r₁ – r₂.



2) элементарное перемещение dr – бесконечно малое перемещение, которое с достаточной степенью точности совпадает с соответствующим участком траектории движения. При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории и модуль перемещения численно равен пройденному пути:

r= S;

3) путь – расстояние, пройденное телом при его движении по траектории. В частных случаях перемещение и путь могут совпадать;

4) мгновенная линейная скорость – векторная физическая величина, характеризующая состояние движения, показывающая, как изменяется перемещение в единицу времени, равная первой производной от перемещения по времени:

;

5) средняя скорость неравномерного движения – скалярная физическая величина, численно равная отношению всего пути, пройденного телом (материальной точкой), к тому промежутку времени, в течение которого совершалось движение:

;

6) линейное ускорение – векторная физическая величина, характеризующая изменение скорости в единицу времени, равная первой производной от скорости или второй производной от перемещения по времени:

;

7) тангенциальное ускорение а_t – составляющая ускорения, направленная вдоль касательной к траектории движения. Изменяет линейную скорость только по величине:

;

8) нормальное ускорение a_n – составляющая линейного ускорения, направленная по нормали n к вектору линейной скорости, т.е. к касательной в данной точке:

,

где R – радиус кривизны траектории движения;

n – единичный вектор нормали к траектории движения;

9) полное ускорение a:

.

10) среднее ускорение при неравномерном движении

.

Принцип относительности Галилея (в классической механике) – никакие опыты, проводимые в инерциальных системах отсчета с механическими приборами, не позволяют установить, покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно по отношению к другой инерциальной системе отсчета. Предполагается, что время не зависит от относительного движения систем отсчета.

Преобразования Галилея определяют положение произвольной материальной точки в двух инерциальных системах отсчета, одна из которых движется со скоростью v_o относительно другой (при условии, если направление скорости v₀ совпадает с направлением r_o):

r = r^' + r₀ = r' + v_ot; t = t^',

где r и r^' – радиус-векторы, определяющие положение материальной точки в неподвижной и подвижной системе отсчета в данный момент времени;

r_o – радиус вектор, определяющий положение начала координат системы К^' (подвижной) в системе К (неподвижной).

В проекциях на оси координат в произвольный момент времени t положение выбранной точки в системе К можно определить так:

x = x^' + v_0xt, x^' = x – v_0xt,

у = у^' + v_0уt, у^' = у – v_0уt,

z = z^' + v_0zt, z^' = z – v_0zt,

t = t^'. t = t^'.

Ковариантные или инвариантные уравнения – уравнения, обе части которых при переходе от одной системы координат к другой преобразуются одинаково и сохраняют свой вид во всех инерциальных системах отсчета.

Закон сложения скоростей в классической механике:

v = v^' + v₀.

Относительное расстояние между выбранными точками пространства в системах отсчета определяется соотношением – они абсолютны, т.е. инвариантны:

1) в подвижной:

;

2) в неподвижной:

.

Инварианты преобразований – инвариантные величины (расстояния между телами (точками), промежутки времени между событиями, относительные скорости тел, ускорения).

Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси – движение, при котором какие-либо две его точки остаются неподвижными в процессе движения. Прямая, проходящая через эти точки, – ось вращения; все остальные точки твердого тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, центры которых лежат на этой оси (рис. П1.3).



Основные кинематические характеристики вращательного движения (рис. П1.4):

1) угол поворота  – угол, отсчитанный между двумя последовательными положениями радиуса R;

2) угловая скорость  – векторная физическая величина, показывающая, как изменяется угол поворота  в единицу времени, численно равная первой производной от угла поворота по времени. Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения в сторону, определяемую правилом правого винта:

.



3) угловое ускорение  – векторная физическая величина, характеризующая изменение угловой скорости в единицу времени, численно равная первой производной от угловой скорости по времени или второй производной от угла поворота по времени Направление вектора углового ускорения совпадает с направлением вектора угловой скорости в случае ускоренного вращения и противоположно – в случае замедленного:



Период вращения (T) – время, в течение которого тело совершает один полный оборот.

Частота вращения (n) – число оборотов, совершаемых в единицу времени.

Круговая (циклическая) частота ω – число оборотов, совершаемых за время, равное 2π.

Связь между периодом, частотой и круговой частотой:

ω = 2π n = 2π / T; n = 1 / T.

Связь между линейными и угловыми скоростями и ускорениями



Колебательные движения (колебания) – движения или процессы, обладающие повторяемостью во времени.

Гармонические колебания (простейший вид колебаний) – движения, при которых смещение материальной точки (тела) от положения равновесия изменяется по закону синуса или косинуса (рис. П1.5):

x = x₀sin (₀t + ₀),

где x – смещение это удаление материальной точки от положения равновесия в данный момент времени t;

x₀ – амплитуда колебаний это максимальное удаление материальной точки от положения равновесия;

(t + ₀) – фаза колебаний. Периодически изменяющийся аргумент функции, описывающей колебательный или волновой процесс. Определяет положение материальной точки в данный момент времени t;

₀ – начальная фаза колебаний. Определяет положение материальной точки в начальный момент времени t = 0;

 = 2 / T = 2 n – круговая (циклическая) частота колебаний;

T – период колебаний;

n – частота колебаний.



Скорость при гармоническом колебательном движении (колебательная скорость) – физическая величина, которая показывает, как изменяется смещение в единицу времени, численно равная первой производной от смещения по времени:

.

Ускорение при гармоническом колебании – физическая величина, которая показывает, как изменяется скорость в единицу времени, численно равная первой производной от скорости или второй производной от смещения по времени:

.

Знак «минус» означает, что ускорение направлено в сторону, противоположную смещению.

Сложение гармонических колебаний одного направления (рис. П1.6) с одинаковыми амплитудами и частотами (x₀₁ = x₀₂; ₁ = ₂ = = ), но разными начальными фазами (₀₂  ₀₁) проводят аналитически. Уравнение результирующего колебания имеет вид



где – амплитуда результирующего колебания;

– фаза результирующего колебания.



Биения возникают при сложение колебаний одного направления (рис. П1.7), с одинаковыми амплитудами (x₀₂ = x₀₁), начальными фазами ₀₁ = ₀₂ = 0 и круговыми частотами, мало отличающимися друг от друга (₁  ₂). Уравнения таких колебаний имеют вид

x₁ = x₀₁sin ₁t; x₂ = x₀₁sin ₂t.



Уравнение результирующего колебания:

,

где – амплитуда результирующего колебания, которая зависит от  = ₁ – ₂ – разности частот складываемых колебаний;

– смещение результирующего колебания, изменяющееся по гармоническому закону.

Частота и период результирующего колебания:



Частота и период изменения амплитуды в этом случае:



Сложение взаимно перпендикулярных колебаний приводит к тому, что траектория движения представляет собой замкнутые фигуры, называемые фигурами Лиссажу (рис. П1.8):

1) сложение колебаний с одинаковыми частотами (₁ = ₂ = ), различными амплитудами (x₀  y₀) с начальными фазами ₁ = ₂ = 0 – результирующее колебание – гармоническое. Траектория движения – прямая линия, уравнение которой имеет вид

y = (y₀/x₀)x.



2) сложение колебаний, начальные фазы ₁ и ₂ которых отличаются на /2 (₁ – ₂ = /2) – результирующее колебание – гармоническое. Траектория движения – эллипс (при равных амплитудах x₀ = y₀ – траектория результирующего движения – окружность) с полуосями, равными x₀ и y₀, уравнение которого

(y/y₀)² + (x/x₀)² = 1;

3) сложение колебаний, периоды которых относятся как целые числа – через промежуток времени, равный наименьшему кратному обоих периодов, движущаяся точка возвращается в начальное положение – получаются фигуры Лиссажу более сложной формы.

Динамика изучает движение и взаимодействия тел совместно с причинами, обусловливающими тот или иной характер движения и взаимодействия.

Основная задача динамики – для данного тела по известной силе найти его ускорение и, наоборот, по известному ускорению найти результирующую силу, действующую на тело.

Масса m – физическая величина, характеризующая количество вещества, инертность, гравитационные свойства и энергию материального тела. Массу тела, определяющую его инертные свойства, называют инертной массой.

Центр масс (или центр инерции) системы – воображаемая точка С, положение которой характеризует распределение массы этой системы и определяется радиус-вектором:

,

где m_i и r_i – соответственно масса и радиус-вектор i-й материальной точки;

n – число материальных точек в системе.

Скорость центра масс

,

где – полный импульс системы.

Импульс p (количество движения) – физическая величина, описывающая свойства движущихся тел, равная произведению массы на скорость:

p = mv.

Полный импульс системы равен произведению массы системы на скорость ее центра масс:

p = mv_c.

Покой – частный случай равномерного прямолинейного движения со скоростью v = 0.

Инерция – свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Инерциальные системы отсчета – системы отсчета, в которых выполняются первый и второй законы Ньютона (их уравнения и все следствия).

Неинерциальная система отсчета – система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета с ускорением.

Первый закон Ньютона: «Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока равнодействующая всех приложенных сил равна нулю».

Сила F – векторная физическая величина, характеризующая воздействие одних тел на другие. В результате действия силы изменяется состояние движения тела (тело приобретает ускорение) или тело деформируется.

Сила F в механике – мера механического действия на данное материальное тело (данную материальную точку) других тел (других материальных точек) или полей.

Закон независимости действия сил: при действии на тело нескольких сил каждая из них сообщает телу такое же ускорение, какое она сообщила, если бы действовала одна.

Принцип суперпозиции сил – допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что воздействия взаимно не влияют друг на друга. Он применим к системам, поведение которых описывается линейными соотношениями.

Сложение нескольких сил, действующих одновременно на материальную точку (тело, систему) производится геометрически. Действие нескольких сил можно заменить действием одной силы, которая называется равнодействующей (рис. П1.9):

;

.



Условие равновесия сил:

.

На рисунке П1.10 показано равновесие сил, лежащих в одной плоскости, действующих на материальную точку. Рисунок П1.11 соответствует равновесию сил, не лежащих в одной плоскости, действующих на материальную точку. Две силы, действующие под углом на одну материальную точку, не могут уравновесить друг друга ни при каких условиях.



Так же и три силы, не лежащие в одной плоскости, не могут уравновесить друг друга ни при каких условиях (рис. П 1.12).



Ускорение в динамике a – результат действия силы.

Ускорение материальной точки в инерциальных системах отсчета К и К^' одинаково:

; a = a^'.

Второй закон Ньютона – изменение импульса пропорционально приложенной силе и направлено вдоль прямой, по которой действует данная сила (основное уравнение движения в классической динамике):

.

При t  0

.

При v << c ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела:

.

В случае переменной массы

,

где – реактивная сила.

При движении по кривой результирующая сила может быть разложена на две составляющие (рис. П 1.13):

; ,

где R – радиус кривизны траектории;

– тангенциальная составляющая (касательная сила);



– нормальная составляющая (центростремительная сила).

Основной закон классической динамики – инвариантен при переходе от одной инерциальной системы к другой, при этом

ma = F; ma^' = F^'; F = F^'.

Третий закон классической динамики – силы, с которыми взаимодействуют два тела, равны по величине и противоположны по направлению. Силы действия и противодействия приложены к разным телам и никогда не уравновешивают друг друга (рис. П1.14):

F₁₂ = -F₂₁.



Импульс силы – мера действия силы за некоторый промежуток времени:

.

Силы инерции обусловлены ускоренным движением системы отсчета по отношению к неподвижной системе. Различают:

1) силы, действующие на тело при ускоренном поступательном движении системы отсчета (рис. П1.15):

ma^’ = ma + F_ин,

где a^’ – ускорение тела в неинерциальной системе отсчета;

a – ускорение тела в инерциальной системе отсчета;

F_ин – сила инерции.



2) силы, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета (рис. П 1.16):

,

где F_ц – центробежная сила инерции;

 – угловая скорость вращающейся системы отсчета;

r^’ – радиус-вектор тела относительно начала вращающейся системы отсчета;

R – перпендикулярная к оси вращения составляющая r^’.



3) силы, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета (рис. П1.17):

F_к = 2m[v^’ ω],

где F_к – сила Кориолиса;

v^’ – скорость движения тела;

 – угловая скорость вращающейся системы отсчета.



Основной закон динамики для неинерциальных систем отсчета:

ma^’= F + F_ин + F_ц + F_к,

где F, F_ин, F_ц, F_к – ранее рассмотренные силы, действующие в неинерциальных системах отсчета.

Основная задача динамики вращательного движения – нахождение угловых ускорений, сообщаемых известными силами.

Момент инерции – скалярная физическая величина, характеризующая инертность тела при вращательном движении.

Момент инерции материальной точки относительно неподвижной оси вращения – физическая величина, равная произведению массы материальной точки на квадрат расстояния до оси или центра вращения (рис. П1.18):

I = mr².



Момент инерции тела относительно оси z – физическая величина, равная сумме моментов инерции отдельных материальных точек тела относительно той же оси вращения (рис. П1.19):

; ,

где m_i – масса i-й точки;

r_i – расстояние i-й точки до оси z;

ρ – плотность вещества, из которого состоит тело;

V – объем тела.



Теорема Штейнера – момент инерции тела относительно произвольной оси z равен сумме момента инерции того же тела I₀ относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс, и произведения массы тела m на квадрат расстояния между осями (а):

I_z = I₀ + mа².



На рисунке П1.20 представлено применение теоремы Штейнера к расчету момента инерции диска относительно оси ОО^', параллельной оси О₁О₁^'.

Главные оси инерции – три взаимно перпендикулярных свободных оси вращения тела произвольной формы, проходящие через его центр масс.

Момент импульса материальной точки относительно неподвижной оси вращения (L) – векторная физическая величина, модуль которой равен произведению модуля импульса на плечо (рис. П1.21):

L= p.



В векторной форме

L= [rp] = [rmv],

где m – масса материальной точки;

v – скорость материальной точки;

 – плечо (кратчайшее расстояние от направления импульса до оси вращения).

Момент импульса системы относительно неподвижной оси вращения z – проекция на эту ось вектора L (момента импульса системы):

,

где r_i, p_i – радиус-вектор и импульс i-й материальной точки;

n – общее число точек в системе.

Связь момента импульса тела с вектором угловой скорости ω и моментом инерции

L = Iω.

Момент силы относительно центра вращения или неподвижной оси вращения – векторная физическая величина, модуль которой равен произведению модуля силы на плечо (рис. П1.22):

M=F,

где  – плечо силы – кратчайшее расстояние от линии действия силы до центра вращения.



В векторной форме

M=[rF].

Главный или результирующий момент сил относительно неподвижной оси вращения равен векторной сумме моментов слагаемых сил:

.

Моменты сил относительно осей, которые перпендикулярны и параллельны оси вращения, равны нулю.

Основной закон динамики вращательного движения твердых (недеформирующихся) тел, для которых I=const (второй закон динамики для вращательного движения):

M = I∙ε; .

Импульс вращающего момента – произведение вращающего момента на время его действия:

Mdt = dL.

Осциллятор – физическая система, совершающая колебания; система, у которой величины, описывающие ее, периодически меняются с течением времени.

Гармонический осциллятор – механическая система, совершающая колебания около положения устойчивого равновесия, описывающие величины которой изменяются по гармоническому закону (закону синуса или косинуса).

Уравнение движения гармонического осциллятора:

; ; ,

где a = d²x/dt² = –ω₀²x – ускорение материальной точки;

F – возвращающая сила, которая стремится вернуть систему в положение равновесия (F = –mω₀²x = –kx);

x – смещение;

k = mω₀² – коэффициент возвращающей силы. Он численно равен возвращающей силе, вызывающей единичное смещение.

Решение уравнения движения гармонического осциллятора:

x = x₀sin (ω₀t + φ₀).

Уравнение гармонических колебаний в комплексном виде:

.

В теории колебаний принимается, что величина x равна вещественной части комплексного выражения, стоящего в этом выражении справа.

Дифференциальное уравнение гармонического колебательного движения:

.

Решением дифференциального уравнения гармонических колебаний является выражение вида

x = x₀ sin (₀t + ₀),

где k = m ₀² – коэффициент возвращающей силы;

x – смещение материальной точки;

x₀ – амплитуда колебаний;

₀ = 2/Т = 2 – круговая (циклическая частота);

 = 1/T – частота колебаний;

T – период колебаний;

 = (₀t + ₀) – фаза колебаний;

₀ – начальная фаза колебаний.

Примеры гармонических осцилляторов:

а) пружинный маятник – тело массой m (рис. П1.23), подвешенное на пружине, совершающее гармоническое колебание.



Упругие колебания совершаются под действием упругих сил:

F= –k∙,

где k = m _o² – коэффициент жесткости;

 – относительное удлинение.

Уравнение движения пружинного маятника:

; ,

где ;

 – величина деформации.

Решение уравнения движения пружинного маятника:

 = ()₀sin (ω₀t + φ₀).

Круговая частота, частота и период колебаний пружинного маятника:

; ;;

б) физический маятник – твердое тело, совершающее гармоническое колебательное движение относительно оси, не совпадающей с центром масс (рис. П1.24).



Уравнение движения физического маятника:

.

Решение уравнения движения физического маятника:

 = ₀sin (ω₀t + α),

где α – начальная фаза колебаний.

Круговая частота, частота и период колебаний физического маятника:

; ; ; ,

где L = I/md – приведенная длина физического маятника – длина такого математического маятник, период колебаний которого равен периоду колебаний физического маятника;

I – момент инерции физического маятникa относительно оси колебаний;

m – масса физического маятника;

d – расстояние между осью колебаний и центром масс;

в) математический маятник – тело массой m, размерами которого можно пренебречь, подвешенное на невесомой, нерастяжимой нити (рис. П1.25).

Круговая частота, частота и период колебаний математического маятника:

; ; .

Приведенная длина физического маятника – величина, численно равная длине такого математического маятника, период колебаний которого равен периоду колебаний физического маятника:

.



Крутильные колебания – колебания, совершающиеся под действием закручивающего момента, пропорционального углу закручивания (колебания диска, подвешенного на стальной нити):

M= – D,

где – коэффициент крутильной жесткости;

G – модуль сдвига;

r – радиус нити;

 – длина нити.

Период колебаний крутильного маятника

,

где I_z – момент инерции тела относительно оси колебаний.

Затухающие (свободные) колебания – движения реальной колебательной системы, сопровождающиеся силами трения и сопротивления, которые приводят к уменьшению амплитуды колебаний (рис. П1.26). При этом энергия, потерянная системой, не восполняется за счет внешних сил.



Дифференциальное уравнение затухающих колебаний:

,

где r – коэффициент сопротивления.

Решение уравнения затухающих колебаний:

,

где А = x₀ e^{– βt} – амплитуда колебаний, убывающая по экспоненциальному закону;

β = r/(2m) – коэффициент затухания, характеризующий быстроту убывания амплитуды с течением времени;

– собственная частота колебаний системы, т.е. та частота, с которой совершались бы свободные колебания системы в отсутствии сопротивления среды (r = 0).

Круговая частота, частота и период затухающих колебаний:

; ; .

Характеристики затухающих колебаний:

1) декремент затухания – отношение двух смещений, отличающихся друг от друга по времени на период. Декремент затухания характеризует быстроту затухания в зависимости от числа колебаний:

;

2) логарифмический декремент затухания – величина, равная натуральному логарифму от декремента затухания. Логарифмический декремент затухания характеризует затухание колебаний за период:

 = lnD = ln(e^βΤ) = βT.

Добротность колебательной системы

,

где N_e – число колебаний за то время, за которое амплитуда колебаний уменьшается в «е» раз.

Вынужденные колебания – колебания, совершаемые системами под действием внешней (вынуждающей) силы, изменяющейся по какому-либо закону, например гармоническому (рис. П1.27):

f = F₀cos  t,

где F₀ – амплитудное значение вынуждающей силы;

 – частота вынуждающей силы.



Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний

,

где f = F₀ sin t – вынуждающая сила;

 – частота вынуждающей силы.

Решение уравнения вынужденных колебаний:

X = X₁ + X₂ = x₀e^{– t}sin (ω't + φ₀') + x₀sin (ωt + φ),

где .

Амплитуда и начальная фаза вынужденных колебаний:

;

.

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний при некоторой определенной для данной колебательной системы частоте (резонансной частоте). На рисунке П1.28 показаны возможные кривые при резонансе.



Резонансная частота

.