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zzidun-pavo 2021-01-13 16:06 原文

简谐振动

简谐振动就是无阻力的振动,简谐振动在时间上具有周期性,在空间上具有重复性.

简谐振动方程

对于一个质量为\(m\),弹性系数为\(k\)的弹簧振子,

弹簧振子和静止状态的位置距离是\(x\),速度是\(v\),加速度是\(a\),有以下性质

\[由牛顿第二定律得,F=ma\\ 由胡克定律的,F=kx\\ 所以a=\frac{kx}{m}\\ 由速度相关公式得a=\frac{d^2x}{dt^2}\\ 所以\frac{d^2x}{dt^2}-\frac{kx}{m}=0\\ 根据数学结论,一个形如\frac{d^2x}{dt^2}+w^2x=0的方程\\ 可以转换为形如x=Acos(\omega t+\phi)的形式\\ 所以x=Acos(\sqrt{\frac{k}{m}}\cdot t+\phi)\\ 其中A=\sqrt{x_0^2+\frac{v_0^2}{\omega^2}}\\ tan\phi=\frac{-v_0}{\omega x_0} \]

\(A\)是振幅,\(\omega\)是角速度,\(\phi\)是初始相位,他们被称为振动三要素.周期\(T=\frac{2\pi}{\omega}\),

振动的位置\(x=Asin(\omega x + \phi)\)

振动的速度\(v=A\omega cos(\omega x + phi)\)

简谐振动能量

振动的动能如下

\[E=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}m\cdot A^2\omega^2 cos^2(\omega t+\phi)=\frac{1}{2}k\cdot A^2cos^2(\omega t+\phi) \]

振动的弹性势能如下

\[E=\frac{1}{2}kx^2=\frac{1}{2}k\cdot A^2sin^2(\omega t+\phi) \]

振动的总能量如下

\[E=\frac{1}{2}mv^2+\frac{1}{2}kx^2=\frac{1}{2}kA^2cos^2(\omega t+\phi)+\frac{1}{2}kA^2sin^2(\omega t + \phi)=\frac{1}{2}kA^2 \]

他是恒定不变的

振动的合成

两个同方向同频率简谐振动如下

\[x_1=A_1cos(\omega t+\phi_1)\\ x_2=A_2cos(\omega t+\phi_2) \]

他们合成之后,依然是同方向,同频率的简谐振动,合成的振动相关值如下

\[A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2cos(\phi_2-\phi_1)}\\ \phi=arctan\frac{A_1sin\phi_1+A_2sin\phi_2}{A_1cos\phi_1+A_2cos\phi_2} \]

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