Co można "wyciągnąć" z równania ruchu harmonicznego tłumionego?

   Pokażemy poniżej, jak wiele można „wycisnąć” z równania ruchu harmonicznego tłumionego, opisującego zależność wychylenia z położenia równowagi od czasu. 

   Załóżmy, że drgania pewnego punktu materialnego o masie \(m = 3 \: \text{kg}\) opisane są następującym równaniem: 

\(\Large{x(t) = \frac{2}{\pi} \; \text{e}^{- 3 \pi \cdot t} \sin ( 4 \pi \cdot t + \frac{\pi}{6})}\),

gdzie wszystkie wielkości podane są w jednostkach podstawowych układu SI. 

   Jest to równanie typu 

\(\Large{x(t) = A_0 \; \text{e}^{- \beta \cdot t} \sin (\omega \cdot t + \varphi)}\),

opisujące, jak wiadomo, drgania harmoniczne tłumione o amplitudzie początkowej \(A_0\), współczynniku tłumienia \(\beta\), częstości \(\omega\) i fazie początkowej \(\varphi\)

   Można zatem od razu przez porównanie obydwu równań stwierdzić, że nasz obiekt jest oscylatorem harmonicznym tłumionym, dla którego: 

amplituda    \(\Large{A_0 = \frac{2}{\pi} \text{  [m]}}\) 

współczynnik tłumienia    \(\Large{\beta = 3 \pi \text{  [1/s]}}\)

częstość    \(\Large{\omega = 4 \pi \text{  [1/s]}}\) 

faza początkowa    \(\Large{\varphi = \frac{\pi}{6}} \text{  [–]}\)

   Znając częstość, możemy wyznaczyć także okres i częstotliwość:

okres    \(\Large{T = \frac{2 \pi}{\omega} = \frac{1}{2} \text{  [s]}}\)

częstotliwość    \(\Large{f = \frac{\omega}{2 \pi} = \frac{1}{T} = 2 \text{  [Hz]}}\)

   Skoro znamy częstość i współczynnik tłumienia, to można także znaleźć częstość drgań harmonicznych prostych (nietłumionych): 

częstość drgań nietłumionych    \(\Large{\omega_0 = \sqrt{\omega^2 + \beta ^2} = 5 \pi \text{  [1/s]}}\)

   Nasz oscylator zacząłby drgać z taką częstością, gdybyśmy stłumili tłumienie do zera (no chociaż prawie do zera). Opory powietrza - zamykając oscylator w komorze próżniowej, opory na osi zawieszenia wahadła - smarując oś WD-40 ;-)

   Znając częstość drgań nietłumionych i masę, znajdziemy dalej współczynnik sprężystości, określający siłę zwrotną: 

współczynnik sprężystości    \(\Large{k = m \omega _0 ^2 = 3 \cdot (5 \pi)^2 = 75 \pi^2 \text{  [N/m]}}\)

   No i nie zapominajmy o podstawowej roli równania drgań – można z jego pomocą znaleźć wartość wychylenia oscylatora z położenia równowagi albo samą amplitudę w dowolnej chwili \(t\). Zróbmy to np. dla \(t = 2 \text{s}\)

amplituda    \(\Large{A(t=2 \text{s}) = \frac{2}{\pi} \text{e} ^{-3 \pi \cdot 2} = \frac{2}{\pi} \text{e}^{-6 \pi}  \text{  [m]}}\)

wychylenie    \(\Large{x(t=2 \text{s}) = \frac{2}{\pi} \text{e}^{-6 \pi} \cdot \sin (4 \pi \cdot 2 + \frac{\pi}{6}) = \frac{2}{\pi} \text{e}^{-6 \pi} \cdot \sin (\frac{\pi}{6}) =  \frac{2}{\pi} \text{e}^{-6 \pi} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{\pi} \text{e}^{-6 \pi} \text{  [m]}}\)

   To może teraz zapytajmy, ile czasu musi upłynąć, aby energia tych drgań zmalała 4-krotnie? Energia jest jak wiadomo proporcjonalna do kwadratu amplitudy, zatem rozwiązaniem naszego problemu będzie odpowiedź na pytanie, ile czasu musi upłynąć, aby amplituda zmalała \(\sqrt{4}\) krotnie, czyli 2-krotnie. Trzeba w tym celu rozwiązać względem \(t\) równanie: 

\(\Large{\frac{A(t+ \Delta t)}{A(t)} = 2}\)

   Stosując w powyższym równaniu wzór na amplitudę otrzymamy kolejno: 

\(\Large{\frac{\text{e}^{- \beta t}}{\text{e}^{- \beta (t+\Delta t)}} = \text{e}^{- \beta t + \beta (t+ \Delta t)} = \text{e}^{\beta \Delta t} = 2 }\)

i dalej z definicji logarytmu: 

\(\Large{\beta \Delta t = \ln{2}}\)

   Poszukiwany czas będzie zatem równy: 

\(\Large{\Delta t = \frac{\ln{2}}{\beta} = \frac{\ln{2}}{3 \pi} \text{  [s]}}\)

 

   No to może jeszcze poszukajmy dekrementu logarytmicznego i dobroci (tłumienie nie jest niestety małe, więc nie wolno stosować uproszczonej wersji wzoru):  

dekrement logarytmiczny    \(\Large{\Lambda = \beta \cdot T = 3 \pi \cdot \frac{1}{2} = \frac{3 \pi}{2} \text{  [–]}}\)

dobroć    \(\Large{Q = \frac{2 \pi}{1 - \text{e}^{- 2 \Lambda}} = \frac{2 \pi}{1 - \text{e}^{- 3 \pi}} \text{  [–]}}\)

 

No i znowu musimy powiedzieć: to niewiarygodne jak wiele informacji zawartych jest w jednym niepozornym równaniu, nieprawdaż ?   :] 

Masz za sobą 100% lekcji
100%