Автоколебательные системы с n-степенями свободы. RC-генератор.
Примеры таких систем показаны на рис. 12.1.
а) б)
Рис.12.1
Данные колебательные системы имеют две степени свободы. При заданных значениях в качестве обобщенных координат можно взять углы отклонения .
Многоатомные нелинейные молекулы имеют колебательных степеней свободы, линейные многоатомные молекулы имеют колебательных степеней свободы. Здесь - число атомов в молекуле.
кинетическая энергия системы со многими степенями свободы может быть представлена в виде:
(9.16)
где
, (9.17)
, (9.18)
.
В том случае, когда на систему накладываются стационарные связи, для кинетической энергии можно записать:
, (9.20)
и функция Лагранжа, в случае активных потенциальных сил имеет вид:
. (9.21)
Коэффициенты носят название коэффициентов инерции
Разложим потенциальную энергию в ряд по степеням вблизи устойчивого положения равновесия системы:
Введем обозначения:
. (12.2)
Эти коэффициенты называются обобщенными коэффициентами жесткости. Они симметричны, т.е.
. (12.3)
В результате для потенциальной энергии получаем:
, (12.4)
где точками обозначены члены высших порядков. Для случая малых колебаний используется гармоническое приближение, в котором всеми, не выписанными членами старших порядков, пренебрегают. В результате функция Лагранжа колебательной системы в гармоническом приближении имеет вид:
.
Рассмотрим систему с двумя степенями свободы, которая совершает малые колебания вблизи устойчивого положения равновесия.
, (12.6)
, (12.7)
.
Дифференциальные уравнения колебаний получаются из уравнений Лагранжа
(12.11)
и выражений (12.6), (12.8) и (12.9):
, (12.12)
где использованы равенства .
Следовательно, малые колебания системы с двумя степенями свободы около положения устойчивого равновесия описываются двумя однородными линейными дифференциальными уравнениями второго порядка с постоянными коэффициентами.
Решение уравнений (12.2) ищем в виде:
, (12.13)
где - неизвестные постоянные.
Дифференцируя дважды по времени уравнения (12.13), подставляя полученные результаты в уравнения (12.12), получим:
. (12.14)
Система (12.14) содержит алгебраические однородные линейные уравнения для нахождения амплитуд . Система уравнений (12.14) имеет решение отличное от нуля, если определитель этой системы равен нулю:
.
. (12.17)
И окончательно, общее решение: