阻尼

科学   2021-03-20 22:49  

在这昼夜等长的一天,来看看有关阻尼的一些情况。

弹簧振子对许多人应该很熟悉了,

如图,在光滑平面上,弹簧的一段固定于杆上,另一端牵拉一质量为m的小球。

小球的运动可以描述为如下形式,

运用牛顿第二定律,我们可以列出小球振子的动力学方程,这是一个二阶常系数线性齐次微分方程,多种方法可以求解,在此就不展开了,并直接给出结果,

再代入初始条件,假设 t=0 时刻,小球位于振幅正向最大处静止,所以有

来看看这种情况小球的运动

t=0:2*pi/100:2*pi;                             % 设定参数t
A=1; % 设定振幅和圆频率ow=1;
x=A*cos(ow*t); % 简谐振动方程
mysize=size(x);
M=moviein(mysize(2));
plot(0,0,'b*');
for i=1:mysize(2) hold on;line([-1.5,-1.5],[-0.1,0.3]); % 画出弹簧固定端axis([-2,2,-2,2]);
plot(x(i),0,'ro'); % 画出振子当前位置line([-1.5,x(i)],[0,0],'color','k'); % 黑线代表弹簧line([-A,-A],[-0.1,0.3],'linestyle','--'); % 画出振子的振动范围,即-A到+Aline([A,A],[-0.1,0.3],'linestyle','--');
M(:,i)=getframe;
hold offplot(0,0,'b*');
endmovie(M,3);

由于没有摩擦,没有空气阻力,弹簧是理想的弹簧,总之一切都是理想的,整个系统在动能、弹性势能之间不断转化,并且转化过程中能量并不损失,所以每次回复,振子总能到达最大振幅处。


但现实中没有这种情况,更多的是有能量损耗的系统,下面对以上振子做一小改动,如下


这次给振子加了一个阻尼器,小球在往复运动时,每次都牵拉阻尼器的活塞对缸内的气体做功,不管活塞往哪边运动,阻尼器都给振子一个使能量损耗的作用力,我们再来列动力学方程,

注意观察新加的项,c为一常系数,代表阻尼大小,速度前面的负号则代表阻尼总是阻碍振子运动。为了明确各量的物理意义,不妨将式子写成如下形式,

至于为什么写成这样的形式,可以之后再考虑,但是就数学形式上来说,只不过移了移项、变了变符号而已。

该式为一个二阶常系数线性齐次微分方程,我们也能很容易写出它的解,只是要分情况。


该方程的特征方程的解为

可以看出,当p等于0时,即对应于之前讨论的无阻尼的情况。


由该式可以分为几种情况。


一、特征方程有两个不相等的实数解。

这时,p大于w,小球振子的运动方程为

式子中代入了与之前相同的初始条件。我们来看看振子怎么运动,

t=0:2*pi/200:5*pi;                             % 设定参数t
A=1; % 设定振幅和圆频率等参数ow=1;p=1.1;
a=-p+sqrt(p^2-ow^2);b=-p-sqrt(p^2-ow^2);
C1=a*A/(a-b);C2=-b*A/(a-b);
x=C1*exp(1).^(a*t)+C2*exp(1).^(b*t); % 运动方程
mysize=size(x);
M=moviein(mysize(2));
plot(0,0,'b*');
for i=1:mysize(2) hold on;line([-1.5,-1.5],[-0.1,0.3]); % 画出弹簧固定端axis([-2,2,-2,2]);
plot(x(i),0,'ro'); % 画出振子当前位置line([-1.5,x(i)],[0,0],'color','k'); % 黑线代表弹簧line([-A,-A],[-0.1,0.3],'linestyle','--'); % 画出振子的振动范围,即-A到+Aline([A,A],[-0.1,0.3],'linestyle','--');
M(:,i)=getframe;
hold offplot(0,0,'b*');
endmovie(M,1);

看看结果

可以看到,当振子在振幅最大位置释放后,先越过了平衡位置,但在到达负向最大振幅前,又慢慢回到到平衡位置并几乎静止不动了。这在图像上反应为如下情况

这种情况叫做“过阻尼”,振子几乎没完成一次完整振动,能量就几乎损耗完了。


二、特征方程的解是一对共轭复根。

这时,p<w,运动方程的解为

再来看这种情况下振子的运动


t=0:2*pi/200:5*pi;                             % 设定参数t
A=1; % 设定振幅和圆频率等ow=5;p=1;
b=sqrt(ow^2-p^2);
C1=A;C2=p*A/b;
x=(exp(1).^(-p*t)).*(C1*cos(b*t)+C2*sin(b*t)); % 运动方程
mysize=size(x);
M=moviein(mysize(2));
plot(0,0,'b*');
for i=1:mysize(2) hold on;line([-1.5,-1.5],[-0.1,0.3]); % 画出弹簧固定端axis([-2,2,-2,2]);
plot(x(i),0,'ro'); % 画出振子当前位置line([-1.5,x(i)],[0,0],'color','k'); % 黑线代表弹簧line([-A,-A],[-0.1,0.3],'linestyle','--'); % 画出振子的振动范围,即-A到+Aline([A,A],[-0.1,0.3],'linestyle','--');
M(:,i)=getframe;
hold offplot(0,0,'b*');
endmovie(M,1);

结果如图

在图像上则这样显示

每时刻的振幅由 e^(-pt) 这一项决定,如图


这种情况叫做“欠阻尼”。


三、特征方程的解为一个二重根。

这时,w=p,运动方程的解为

看这种情况下的振子运动

t=0:2*pi/200:5*pi;                             % 设定参数t
A=1; % 设定振幅和圆频率等ow=1;p=1;
x=(A+p*A.*t).*exp(1).^(-p*t); % 运动方程
mysize=size(x);
M=moviein(mysize(2));
plot(0,0,'b*');
for i=1:mysize(2) hold on;line([-1.5,-1.5],[-0.1,0.3]); % 画出弹簧固定端axis([-2,2,-2,2]);
plot(x(i),0,'ro'); % 画出振子当前位置line([-1.5,x(i)],[0,0],'color','k'); % 黑线代表弹簧line([-A,-A],[-0.1,0.3],'linestyle','--'); % 画出振子的振动范围,即-A到+Aline([A,A],[-0.1,0.3],'linestyle','--');
M(:,i)=getframe;
hold offplot(0,0,'b*');
endmovie(M,1);

结果如图

而在图像上则表示为

这种情况叫“临界阻尼”,好像是把小石头扔进了装满粘稠汽油的桶里的感觉。

该种情况运动的衰减最快,不会越过平衡位置。



地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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