Лабораторна робота №15
ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ЗАГАСАЮЧИХ КОЛИВАНЬ
Мета роботи
Визначити основні параметри загасання коливань механічної системи.
Прилади та обладнання
Коливна система, секундомір.

Опис вимірювального пристрою

Прямокутного перерізу стрижень (1) підвішений на кронштейні (3) таким чином, що нижнє ребро призми (2) спирається на кронштейн і є віссю обертання стрижня.
Кронштейн прикріплений до резервуару з водою (4). Шкала (5) і стрілка (6) дозволяють вимірювати амплітуду коливань системи.
До стрижня прикріплені два заспокоювачі:
Повітряний заспокоювач (7) у позиції, показаній на рис.1, збільшує силу опору середовища (повітря). Заспокоювач не діє, якщо його повернути навколо горизонтальної осі на кут 90о.
Рідинний заспокоювач (8) у позиції, показаній на рисунку, не діє, а після повороту на кут 90о рухатиметься у воді, що також збільшує силу опору середовища (води).
Виведення розрахункових формул
З рівняння загасаючих коливань x(t) = A0cos (0t +0) випливає залежність амплітуди коливань від часу:
A(t) = A0 (1)
Лоґарифмуючи (1), одержимо вираз для коефіцієнта загасання
(2)
Позначивши:
t = nZT – час, протягом якого амплітуда зменшиться в разів ( nZ – кількість повних коливань, що здійснилися за час t;
Т– період коливань), одержимо:
(3)
Наприклад: якщо після здійснення системою n2 коливань амплітуда коливань зменшилася у Z = 2 рази, то:
(4)
З формули (3) : lnZ = T nZ (5)
Врахувавши, що лоґарифмічний декремент загасання
= T ,
одержимо з (5): lnZ = nZ (6)
Отже lnZ є лінійною функцією nZ, а – кутовим коефіцієнтом ґрафіку цієї функції.
Побудувавши ґрафік залежності lnZ = f( nZ ), визначимо лоґарифмічний декремент загасання як:
(7)
де (lnZ) i nZ – визначені з ґрафіку прирости відповідних
величин
Розрахунок добротності коливної системи проведемо за формулою:
Q = (8)
При підготовці до виконання роботи використати:
Теоретична частина. Розділ 3.6; Додатки 1, 2.
Послідовність виконання роботи
Вимкнути заспокоювачі ( обидва – горизонтально).
Відхилити стрижень на 10–15 поділок шкали, відпустити; визначити і записати в Табл. 1 час t , протягом якого здійсниться 10 коливань.
За формулою розрахувати період коливань і записати результат у Табл. 1.
Дії, зазначені в п. 1–3, повторити ще 2 рази.
Ввімкнути повітряний заспокоювач (вертикальне положення) і повторити 3 рази дії, зазначені в п.2–3.
Вимкнути повітряний заспокоювач (горизонтальне положення), увімкнути рідинний заспокоювач (вертикальне положення) і повторити 3 рази дії, зазначені в п.2–3.
Вимкнути заспокоювачі, відхилити стрижень на 12 поділок, відпустити і визначити число коливань, протягом яких початкова амплітуда зменшиться у 2 ; 3 i 4 рази: n2, n3, n4 . Результати записати у Табл. 1.
Дії, зазначені в п.7 повторити ще 2 рази.
Для кожного з заспокоювачів повторити 3 рази дії, зазначені в п.7, 8
Використовуючи середні значення n2 і Т для всіх трьох випадків визначити за формулою (4) коефіцієнти загасання.
Розрахувати абсолютну і відносну похибки величин .
Для всіх трьох випадків побудувати ґрафіки lnZ = f(nZ) і визначити лоґарифмічні декременти загасання.
За формулою (7) визначити добротність коливної системи при наявності і відсутності заспокоювачів.
Результати розрахунків, виконаних у п.10–13, записати у Табл. 2.
Таблиці результатів вимірювань і розрахунків
Таблиця 1
заспокоювач
№
t, с
T, с
(T, с
n2
(n2
n3
n4

відсутній
1









2









3









сер.








повітряний
1









2









3









сер.








рідинний
1









2









3









сер.









Таблиця 2
заспокоювач
, с-1

, с-1

, %

Q

відсутній






повітряний






рідинний







Контрольні запитання
Під дією яких сил тіло може здійснювати загасаючі гармонічні коливання?
Записати і пояснити диференціальне рівняння загасаючих гармонічних коливань.
Записати і пояснити розв’язок диференціального рівняння загасаючих гармонічних коливань.
Як залежить період загасаючих коливань від коефіцієнта загасання?
У чому полягає фізичний зміст коефіцієнта загасання?
У чому полягає фізичний зміст лоґарифмічного декремента загасання? Як він зв’язаний з коефіцієнтом загасання?
Що називається добротністю коливної системи?
Намалювати графіки залежностей x(t), A(t) для загасаючих коливань при .
Рекомендована література
Курс фізики / За редакцією І.Є.Лопатинського.
– Львів: Вид. «Бескид Біт», 2002.
2. Трофимова Т.И. Курс физики.– М.: Высшая школа, 1990.
3. Савельев И. В. Курс общей физики, т.1 –М.: Наука, 1982.