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Jul 14, 2019
f41c7b3 · Jul 14, 2019

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17.2 弹簧建模(谐波振荡器)

原文: http://math.mit.edu/~djk/calculus_beginners/chapter17/section02.html

弹簧是一种可以展开或收缩的装置,但是当你这样做时它会试图回到平衡位置。假设一个重量 的物体附着在重量可忽略不计的弹簧末端,其平衡位置为 。然后当重量位于 时弹簧上的力是 ,其中 是所谓的装置的“弹簧常数”。

然后系统的运动方程为

我们知道这个等式的一般解,因为我们可以将它识别为 满足的等式。这里振荡的“频率”是 ,因为正弦和余弦作为其周期 的参数的函数重复。 (我们使用弧度作为我们的角度测量。)

练习 17.1:区分下面的函数,并证明它是无摩擦弹簧方程的一般解:

这个通用解决方案也可以写成指数的总和; ( ),适用于

这种解决方案让弹簧永远振荡。

实际上,在运动中也存在摩擦,如前一部分中的摩擦可以通过在形式 的力中添加一个术语来建模。

然后运动方程变为

我们可以通过寻找 形式的解来解决这个等式。将此形式代入 的等式,我们得到:

的二次函数具有解 的两个解决方案取代了无摩擦问题中出现的两个指数 。这些解决方案中的第一项 的解决方案中产生指数阻尼因子

只要 小于 的这些解决方案中的第二项就是虚数,因此与 相比,它们会产生频率降低的正弦行为。因此, 根据前一段中讨论的因素以指数方式消失,并且根据这个因素进行振荡。

或更高时, 的解是实数,弹簧被认为是临界阻尼。完全没有振荡,只有平衡位移的指数衰减 ,作为时间的函数

上述模型很有用,但并不十分令人兴奋。当我们考虑受外部刺激影响的弹簧时,可以获得更有趣的结果。