Ταλαντώσεις. q Μια διαφορετική εφαρμογή του φορμαλισμού Lagrange

Σχετικά έγγραφα
( ) = Ae + ω t + Be ω t ασταθές σημείο ισορροπίας ( ) = Asin( ωt) + Bcos( ωt) ευσταθής ισορροπία

( ) ( ) ( ) = d ( ) Ταλαντωτές. !!q + ω 2 q = 0. !!q + ω 2 q + ω Q!q = F t. + q ειδ. Q! = δ t t. G!! + ω 2 G + ω G. q t.

!q j. = T ji Kάθε πίνακας µπορεί να γραφεί σαν άθροισµα ενός συµµετρικού και ενός αντι-συµµετρικού πίνακα

Συζευγμένα ταλαντώσεις - Ένα άλλο σύστημα

Αρµονικοί ταλαντωτές

Αρµονικοί ταλαντωτές

Φυσική για Μηχανικούς

Αρµονικοί ταλαντωτές

ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2012 ΘΕΜΑΤΑ Α

Φυσική για Μηχανικούς

Εξισώσεις κίνησης του Hamilton

Κεφάλαιο 13. Περιοδική Κίνηση

Τί είδαµε και τι θα δούµε σήµερα

ΦΥΣ. 211 ΕΡΓΑΣΙΑ # 8 Επιστροφή την Τετάρτη 30/3/2016 στο τέλος της διάλεξης

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ Θέματα και Λύσεις. Ox υπό την επίδραση του δυναμικού. x 01

( ) = ke r/a όπου k και α θετικές σταθερές

ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

Φυσική για Μηχανικούς

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

Φθίνουσες ταλαντώσεις

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

Μικρές ταλαντώσεις Συζευγμένες ταλαντώσεις

7. Ταλαντώσεις σε συστήµατα µε πολλούς βαθµούς ελευθερίας

Γενική Φυσική. Ενότητα 8: Ταλαντώσεις. Γεώργιος Βούλγαρης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Μαθηματικών

( ) ( ) Hamiltonian φορμαλισμός. = L!q i. p i. q i. , p i = H. !p i. !q i, L q i, t S = L dt µεγιστοποιείται σε µια λύση της εξίσωσης κίνησης

5.15 Εφαρμογές της ομογενούς Δ.Ε. 2ης τάξης με σταθερούς συντελεστές

( ) Απειροστές περιστροφές και γωνιακή ταχύτητα ( ) = d! r dt = d! u P. = ω! r

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

Εξαναγκασμένη Ταλάντωση. Αρμονική Φόρτιση (...)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Πτυχιακή εξέταση στη Μηχανική ΙI 20 Σεπτεμβρίου 2007

( ) ( ) ( )! r a. Στροφορμή στερεού. ω i. ω j. ω l. ε ijk. ω! e i. ω j ek = I il. ! ω. l = m a. = m a. r i a r j. ra 2 δ ij. I ij. ! l. l i.

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 7. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Hamiltonian Δυναμική - Παράδειγμα

Κβαντομηχανική Ι 3o Σετ Ασκήσεων. Άσκηση 1

Διάλεξη 4η. η κυκλική συχνότητα της ταλάντωσης (σε µονάδες rad/s) η κίνηση

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς

Υπολογισμός της σταθεράς ελατηρίου

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική ΙI 11 Ιουνίου 2012

Διαταραχές Τροχιάς (2)

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ: ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 «Κυμάνσεις» Μαρία Κατσικίνη users.auth.gr/~katsiki

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Φυσική για Μηχανικούς

Γραμμική Διαφορική Εξίσωση 2 ου βαθμού

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ ΔΙΑΚΡΟΤΗΜΑΤΑ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ:.ΤΜΗΜΑ. δ. Α =

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Σωλήνας U

Κεφάλαιο 11 ΣΥΝΤΗΡΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επανεξέταση του αρμονικού ταλαντωτή

Κανονικ ες ταλαντ ωσεις

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Τρισδιάστατες κινήσεις

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική II 20 Σεπτεμβρίου 2010

ΘΕΜΑ Α. Α.1. Ένα σύστηµα ελατηρίου-µάζας εκτελεί απλή αρµονική ταλάντωση πλάτους Α.

Εξαναγκασµένες φθίνουσες ταλαντώσεις

2-1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2-2 ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

) z ) r 3. sin cos θ,

ˆ ˆ. (τελεστής καταστροφής) (τελεστής δημιουργίας) Το δυναμικό του συστήματός μας (αρμονικός ταλαντωτής μέσα σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο) είναι

ΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ

Ταλαντώσεις 6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση Ελατήριο σε οριζόντιο επίπεδο Σχήµα 6.1

6. Αρµονικός ταλαντωτής

Ελεύθερη Ταλάντωση Μονοβάθμιου Συστήματος

website:

ΜΑΣ002: Μαθηματικά ΙΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ (για εξάσκηση)

Πολλαπλασιαστές Lagrange Δυνάμεις δεσμών

Κεφάλαιο 5 ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενα αυτόνομο δυναμικό σύστημα δύο διαστάσεων περιγράφεται από τις εξισώσεις

ΚΕΝΤΡΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ & ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΔΟΥΑΡΔΟΥ ΛΑΓΑΝΑ Ph.D. Λεωφ. Κηφισίας 56, Αμπελόκηποι Αθήνα Τηλ.: ,

L = T V = 1 2 (ṙ2 + r 2 φ2 + ż 2 ) U (3)

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Φυσική για Μηχανικούς

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΦΥΕ η ΕΡΓΑΣΙΑ. Προθεσµία παράδοσης 11/11/08

4 Αρμονικές Ταλαντώσεις 1 γενικά 17/9/2014

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΘΕΡΙΝΑ) - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 19/11/2017 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

, όπου οι σταθερές προσδιορίζονται από τις αρχικές συνθήκες.

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2017 ΛΥΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΧΑΛΑΝΤΖΟΥΚΑ ΦΩΤΕΙΝΗ

Για τη συνέχεια σήμερα...

Εξαναγκασμένη Ταλάντωση. Αρμονική Φόρτιση

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΡΜΟΝΙΚΟΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΜΕΣΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ: ΤΕΛΕΣΤΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ, ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ, ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

Ενδεικτικές Λύσεις. Θέµα Α

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

β. Το πλάτος της σύνθετης ταλάντωσης είναι : Α = (Α 1 ² + Α 2 ² + 2 Α 1 Α 2 συν φ) (φ = π rad) Α = (Α 1 ² + Α 2 ² + 2 Α 1 Α 2 συν π) Α = [Α 1 ² + Α 2

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ. Εξέταση στη Μηχανική Ι 2Σεπτεµ ρρίου2008

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ ΙΟΥΝΙΟΣ 2013 ΕΠΩΝΥΜΟ: ΟΝΟΜΑ: ΑΕΜ: (ΠΤΥΧΙΟ)

Ανακεφαλαίωση. q Εισήγαμε την έννοια των δεσμών. Ø Ολόνομους και μή ολόνομους δεσμούς. Ø Γενικευμένες συντεταγμένες

ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

0,4 2 t (όλα τα μεγέθη στο S.I.). Η σύνθετη ταλάντωση περιγράφεται (στο

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΘΕΡΙΝΑ) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 19/11/2017 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

Μηχανική - Ρευστομηχανική

Εξισώσεις για αρμονικά μεταβαλλόμενες ακουστικές ποσότητες

Transcript:

ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 1 q Μια διαφορετική εφαρμογή του φορμαλισμού Lagrange q Ταλαντωτής αποτελεί ένα σύστημα του οποίου μπορούμε να λύσουμε τις εξισώσεις κίνησης Ø σε κάποιο γενικό σύστημα οι εξισώσεις κίνησης αρκετά πολύπλοκες q Μελετούμε ταλαντωτές γιατί είναι μαθηματικά εύκολο; OXI Ø Τα περισσότερα φαινόμενα στην φυσική μπορούν να αναλυθούν με βάση το μοντέλο ενός αρμονικού ταλαντωτή; Ø Οι λύσεις των εξισώσεων κίνησης μπορούν να γραφούν σαν συνάρτηση απλών μαθηματικών συναρτήσεων

ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 2 q Θεωρήστε ένα μονοδιάστατο σύστημα: Ø 1 βαθμός ελευθερίας: Ø H Lagrangian είναι συνάρτηση των q q,!q L = L( q,!q ) (αρχικά) L δεν εξαρτάται ακριβώς από τον χρόνο, t q Μια κατάσταση ισορροπίας του συστήματος: q = const = q 0 Ø To σύστημα ξεκινά από μια κατάσταση q 0 q Ισοδύναμο με το να πούμε ότι q ανεξάρτητο του t και παραμένει σε αυτή q Ποιες οι συνθήκες ώστε ένα σύστημα να έχει σαν λύση της εξίσωσης κίνησης αυτή της κατάστασης ισορροπίας? Ø Εξίσωση κίνησης: d dt L!q = L q Ø Διαφορική εξίσωση 2 ης τάξης 2 αρχικές συνθήκες: q t = 0 ( )!q ( t = 0) Ø Λύση που αντιστοιχεί σε κατάσταση ισορροπίας: q = q 0 και!q = 0 Ø Το σύστημα θα παραμείνει σε ισορροπία αν:!!q = 0

q Τι σημαίνει αυτό? L = T V d dt L!q = L q ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 3 και για το σύστημά μας: d dt T!q = T q V q συνάρτηση q συνάρτηση!q,!!q συνάρτηση!q q Αλλά σε λύση ισορροπίας:!!q =!q = 0 V ( q) B V q q=qo = 0 q A C q Ποιοτικά δυο διαφορετικές θέσεις ισορροπίας: Ø Α και C: τοπικό ελάχιστο ευσταθής ισορροπία Ø Β: τοπικό μέγιστο ασταθής ισορροπία

q Θεωρήστε μικρή διαταραχή ως προς σημείο ισορροπίας Ø Έστω q = q 0 = 0 V ( q) A B ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 4 C q q Αναπτύσουμε την εξίσωση κίνησης ως προς το σημείο q 0 L( q,!q ) q=q0 = L( q 0,!q = 0) +q q L ( q 0,!q ) +!q!q L ( q 0,!q ) +Dq 2 + Eq!q + F!q 2 +! A Bq C!q q Έχουμε δει (1 η κατ οίκον) ότι αν L = L + df εξ. κίνησης αμετάβλητη dt t 2 t Ø Eλαχιστοποίηση της δράσης: S = L dt S = L + df 2 t 1 dt dt t 1 t 2 df S = S + dt dt S = S + F t 2 t 1 ( ) F( t 1 ) δ S = δ S q Γιατί έχει αυτό ενδιαφέρον? Ø Μπορούμε να αγνοήσουμε στο ανάπτυγμα της L όλους τους όρους που περιέχουν ολικά διαφορικά ως προς χρόνο: A, C, E όρος A : d dt ( At) όρος C : d dt ( Cq) όρος E : d dt 1 2 Eq2

q Ψάχνουμε για σημείο ισορροπίας dv dq = 0 q H Lagrangian όμως είναι: L q,!q V ( q) Ø Οι όροι του δυναμικού είναι: Bq + Dq 2 +! A B ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 5 ( ) q=q0 = A + Bq + C!q + Dq 2 + Eq!q + F!q 2 +" B = 0 q Επομένως η Lagrangian για μικρή διαταραχή ως προς το σημείοq 0 L q,!q 2F q2 + 1 2!q2 q Έχουμε επίσης αναφέρει ότι οι εξισώσεις κίνησης είναι αμετάβλητες αν η Lagrangian πολ/στεί με κάποια σταθερά: L = kl Ø Οι εξ. κίνησης επομένως είναι αμετάβλητες αν πολ/σω με: 1 2F ( ) q=q0 = Dq 2 + F!q 2 = 2F D Ø Άρα οι εξ. κίνησης περιγράφονται από: L = 1 2 C D F q2 +!q 2 q Δηλαδή: μικρές διαταραχές ως προς ένα τυχαίο σημείο ισορροπίας περιγράφονται μόνο από: D F ένα νούμερο συχνότητα 2 q

ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 6 q Ορίζουμε σαν συχνότητα διαταραχής: ω 2 = D F Ø ω πραγματικός αριθμός αν: D F < 0 Ø ω μιγαδικός αριθμός αν: D F > 0 q Οι εξισώσεις κίνησης θα είναι: d L dt!q = L q d 1 ( dt!q 2!q2 ω 2 q 2 ) = 1 ( q 2!q2 ω 2 q 2 )!!q = ω 2 q!!q + ω 2 q = 0 q Ποιες είναι οι λύσεις αυτής της διαφορικής εξίσωσης? Ø ω πραγματικός: D F < 0 q( t) = Acos( ωt) + Bsin( ωt) ü Οι λύσεις ταλαντώνονται ως προς q = 0 με συχνότητα ω ü Το σημείο ισορροπίας είναι ευσταθές (το μέγεθος της διαταραχής ως προς q παραμένει σταθερό) q( t) = Ae + ω t + Be ω t ü H διαταραχή αυξάνει με την πάροδο του χρόνου εκτός και αν Α=0 Ø ω μιγαδικός: D F > 0!!q ω 2 q = 0 ü Το σημείο ισορροπίας είναι ασταθές

Αρµονικοί ταλαντωτές ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 7 q Έχουμε δει άπειρες φορές το πρόβλημα των αρμονικών ταλαντωτών: Ø Μάζες σε ελατήρια q Είναι τόσο σημαντικό φυσικό πρόβλημα? ΟΧΙ q Ας πάρουμε ένα σύστημα γύρω από μια θέση ισορροπίας του Ø Για ευσταθή ισορροπία και στο όριο μικρών διαταραχών v Το σύστημα περιγράφεται σαν ένας ταλαντωτής ü Οχι μόνο για μάζες σε ελατήρια ü Εκκρεμές (μικρή διαταραχή ως προς την θέση ισορροπίας) ü Μόρια (διαταραχή ως προς την θέση ηρεμίας τους) ü Κβαντικό πεδίο (διαταραχή σωματιδίων γύρω από την αναμενόμενη τιμή του κενού του χωροχρόνου) ü Κβαντομηχανικά συστήματα που δέχονται μικρές διαταραχές ως προς την κατάσταση ηρεμίας τους q Θα δούμε αργότερα συστήματα με N βαθμούς ελευθερίας Ø Για μικρές διαταραχές γύρω από μια ευσταθή κατάσταση, περιγράφονται από Ν αρμονικούς ταλαντωτές

ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 8 Λύσεις εξίσωσης κίνησης αρµονικού ταλαντωτή q Η εξίσωση κίνησης αρμονικού ταλαντωτή:!!q + ω 2 q = 0 Με λύσεις της μορφής: q t q Ιδιότητες της εξίσωσης κίνησης: ( ) = Acos( ωt) + Bsin( ωt) Ø Γραμμική Δ.Ε. (ως προς q και χρονικές παραγώγους του q) v O γραμμικός συνδυασμός δυο λύσεων είναι λύση της Δ.Ε. Αν sin(ωt) και cos(ωt) είναι λύσεις sin(ωt)+cos(ωt) είναι λύση v Μια λύση πολ/μενη με σταθερά είναι επίσης λύση της Δ.Ε. ( ( )) Ø Συνήθως γράφουμε την λύση της Δ.Ε. με την μορφή: q = Asin ω t ϕ ü A: το πλάτος της ταλάντωσης ü φ: φάση της ταλάντωσης προσδιορισμός των Α και φ προσδιορίζει την κίνηση Ø Δυο αρχικές συνθήκες απαραίτητες για τον προσδιορισμό κίνησης Ø Οι διαστάσεις του ω είναι: [ω ] = [Τ] 1 Ø Αν επιλέξουμε κατάλληλη χρονική συντεταγμένη: ω=1 ( ) π.χ. t = ωt q = Asin t ϕ

ΦΥΣ 211 - Διαλ.19 9 Λύσεις εξίσωσης κίνησης αρµονικού ταλαντωτή q Trick για λύση γραμμικών διαφορικών εξισώσεων: Ø Αντί να μελετώ πραγματικές λύσεις μπορώ να κοιτάξω μιγαδικές q( t) complex λύση της γραμμικής διαφορικής εξίσωσης Ø Το πραγματικό και μιγαδικό μέρος της λύσης είναι επίσης λύση q Οι μιγαδικές λύσεις της γραμμικής Δ.Ε. Ø Α C : το μιγαδικό πλάτος A C = Ae iωϕ q Αν η γραμμική Δ.Ε. είναι πραγματική και η συζυγής μιγαδική είναι επίσης λύση!!q + ω 2 q = 0 είναι: q = A c e iωt q complex είναι λύση τότε