מכניקה · פיתוח 22

תנועה הרמונית מאולצת מרוסנת

זמן יעד: 3:00 ⏱ ניסיון חדש

ניסוח מלא

מצאו את הפתרון הכללי למד"ר \ddot{x}+2\beta\dot{x}+\omega^{2}_{0}x=f\cos\left(\omega t\right) ואת הפתרון לאחר הרבה זמן. מצאו גם את תדירות הרזוננס, כלומר התדירות שבה אמפליטודה התנועה מקסימלית.

פתרון

נחפש פתרון פרטי למשוואה. לאחר מכן נוכל להוסיף לו כל פתרון של המשוואה ההומוגנית (כלומר המשוואה הלא מאולצת \ddot{x}+2\beta\dot{x}+\omega^{2}x=0). מאחר שהמד"ר לינארית נוכל להסתכל על אילוץ fe^{i\omega t} במקום f\cos\left(\omega t\right), לפתור במרוכבים ולקחת \real\left\{ x\right\} כדי לקבל את הפתרון. ננחש x_{p}=Ae^{i\omega t} כאשר A מקדם מרוכב. גודלו תהיה האמפליטודה של התנודה, והפאזה תהיה הפאזה של הפתרון ביחס לכוח המאלץ.
\left(-\omega^{2}+2i\omega\beta+\omega^{2}_{0}\right)Ae^{i\omega t}=fe^{i\omega t}
A=\frac{f}{-\omega^{2}+2i\omega\beta+\omega^{2}_{0}}=\frac{f}{2i\omega\beta+\left(\omega^{2}_{0}-\omega^{2}\right)}=A_{0}e^{i\phi}
A_{0}=\frac{f}{\sqrt{\left(2\omega\beta\right)^{2}+\left(\omega^{2}_{0}-\omega^{2}\right)^{2}}},\tan\phi=-\frac{2\omega\beta}{\omega^{2}_{0}-\omega^{2}}
ובמעבר חזרה לממשיים:
\begin{align*} x_{p}\left(t\right) & =\real\left\{ Ae^{i\omega t}\right\} =\real\left\{ A_{0}e^{i\left(\omega t+\phi\right)}\right\} =A_{0}\cos\left(\omega t+\phi\right) \end{align*}
נזכור שזהו רק הפתרון הפרטי. נוכל להוסיף לו את הפתרונות למשוואה ההומוגנית (\ddot{x}+2\beta\dot{x}+\omega^{2}x=0) כדי לקבל את הפתרון הכללי:
x\left(t\right)=A_{0}\cos\left(\omega t+\phi\right)+Ae^{\left(-\beta+\sqrt{\beta^{2}-\omega^{2}}\right)t}+Be^{\left(-\beta-\sqrt{\beta^{2}-\omega^{2}}\right)t}
כאשר המקדמים A ו- B נקבעים על פי תנאי ההתחלה. אחרי הרבה זמן הפתרון הכללי דועך בגלל הריסון, כלומר תנאי ההתחלה נשכחים ונשאר רק עם הפתרון שמצאנו:
x\left(t\rightarrow\infty\right)\approx x_{p}\left(t\right)
תדירות התהודה היא התדירות שעבורה A_{0} מקסימלית. נגזור לפי \omega^{2} את המכנה בתוך השורש כדי למצוא את התדירות שבה הוא מינימלי ולכן A_{0} מקסימלי:
0=\frac{d}{d\left(\omega^{2}\right)}\left[\left(2\omega\beta\right)^{2}+\left(\omega^{2}_{0}-\omega^{2}\right)^{2}\right]=4\beta^{2}+2\left(\omega^{2}-\omega^{2}_{0}\right)
\omega_{res}=\sqrt{\omega^{2}_{0}-2\beta^{2}}
אפשר למצוא אותה גם לפי הדרישה שהדיסקרימננטה של הביטוי הריבועי לפי \omega^{2} מתאפסת.
הערה: דרך נוספת לכתוב את הפתרון הפרטי היא לפי סכום של סינוס וקוסינוס:
A=\frac{f}{\left(\omega^{2}-\omega^{2}_{0}\right)+2i\omega\beta}=f\frac{\left(\omega^{2}_{0}-\omega^{2}\right)-2i\omega\beta}{\left(\omega^{2}-\omega^{2}_{0}\right)+\left(2\omega\beta\right)^{2}}=A_{1}-iA_{2}
A_{1}=f\frac{\left(\omega^{2}_{0}-\omega^{2}\right)}{\left(\omega^{2}-\omega^{2}_{0}\right)+\left(2\omega\beta\right)^{2}},A_{2}=f\frac{2\omega\beta}{\left(\omega^{2}-\omega^{2}_{0}\right)+\left(2\omega\beta\right)^{2}}
x_{0}\left(t\right)=\real\left\{ Ae^{i\omega t}\right\} =\real\left\{ \left(A_{1}-iA_{2}\right)\left(\cos\omega t+i\sin\omega t\right)\right\} =A_{1}\cos\left(\omega t\right)+A_{2}\sin\left(\omega t\right)
זה יכול להיות שימושי למשל כשרוצים לחשב את ההספק הממוצע של הכוח המאלץ:
\left\langle P\left(t\right)\right\rangle =\left\langle f\left(t\right)\cdot v\left(t\right)\right\rangle =\omega f\left\langle -A_{1}\cos\left(\omega t\right)\sin\left(\omega t\right)+A_{2}\cos^{2}\omega t\right\rangle =\frac{A_{2}\omega f}{2}

ניסיונות וטבלת שיאים

אף אחד עוד לא פתר את הפיתוח הזה.

אין עדיין ניסיונות.