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02-06-04
阻尼振动
临界阻尼
欠阻尼
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严导淦编《物理学》,第3版上册,361页--365页,高教出版社
程守洙、江之永编《普通物理学》,第3版,第三册,18页--21页,高教出版社
马文蔚编《物理学》,第4版,下册,26页--30页,高教出版社
张三慧编《大学物理学》,第2版,第4册,21页--24页,清华大学出版社
吴百诗编《大学物理学》,修订版,上册,258页--261页,西安交通大学出版社 |
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简谐振动只是理想的情形,在实际振动中,由于阻力的存在,振动系统最初所获得的能量,在振动过程中因不断克服阻力做功而减小。振动强度逐渐衰减,振幅也就越来越小,最后停止振动。这种振动称为阻尼振动。能量减少的方式通常有两种。一种是由于摩擦阻力的存在,例如弹簧振子周围空气等介质的阻力和支承面的摩擦力的作用,使振动的机械能逐渐转化为热能;另一种是由于振动系统引起邻近介质中各质元的振动,振动向外传播出去,使能量以波动形式向四周辐射出去,这虽然只是机械能的转移,但对振动系统本身来说,其能量也因不断输出而在衰减,例如,音叉在振动时,不仅要克服空气阻力作功而消耗能量,同时还因辐射声波而损失能量。这一节主要讨论振动系统受摩擦阻力的情形,在振动情况下所受的摩擦阻力中,一般来说,往往是考虑介质的粘滞阻力。实验指出,在物体运动速度甚小的情况下,粘滞阻力的大小与物体运动速度的大小v成正比,阻力方向与速度方向相反,即

根据牛顿第二定律,振子运动方程沿x轴的分量式为

式中, 为振动物体的质量,
;
和
都是恒量。 令
,
,上式可写成
(1)
式中,
表征阻尼的强弱,称为阻尼因子,它与系统本身的质量和介质的阻力系数有关;
是振动系统的固有角频率,由系统本身的性质决定。
称为过阻尼,
称为欠阻尼,
则称为临界阻尼。
临界阻尼和过阻尼已经不是严格意义下的振动了。欠阻尼条件下(1)式的解为

这就是阻尼振动表达式。随着 增大,振幅 不断衰减。 越大,说明阻尼越大,振幅衰减越快。 时,振幅为 ;
时,振幅为零,即振动停止。当振动系统作无阻尼振动时,它有一定的周期,这就是系统的固有周期
,阻尼振动不是周期运动,但在阻尼不大时,可以近似看作周期性振动。由角频率
得周期

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