振动
在物理学上,广义地说,凡是描述物质运动状态的物理量,在某一数值附近作周期性的变化,都叫振动。其形式多种多样,情况大多很复杂。其中,简谐运动是最简单最基本的振动。
以弹簧振子为典例,推导简谐运动方程。
弹簧振子模型
弹簧平衡位置为O点,忽略摩擦。弹簧为理想模型,即符合胡克定律。被动物块质量为m。那么对物块进行受力分析,它受到弹簧弹力、重力以及支持力如下图。
支持力与重力平衡,那么物块在水平方向的力仅剩下弹簧弹力,根据胡克定律:
k与弹簧本身性质有关,负号表示力与位移方向相反。此公式结合牛二得:
由于k,m均是常量,故而可用代替,即为:
。此式可写成:
即:,其中x是因变量,t是自变量。下面给出推导:
1、先写出特征方程:,得
。
2、根据r写出通解:。
3、我们利用欧拉公式:对于。有
。
4、例如,
经欧拉公式展开得到常数,可以融到常数
里:
。类似的我们处理项
。
5、于是乎将方程写成了带有虚数的形式,在展开过程中,、
是虚数形式,不过实数形式似乎也可以得出,分别对两项展开后进行加和并忽略虚部后结果是:
6、运用和角公式有。
引入一个辅助角 φ,最后得x= 。由此得出来。
写得电脑没电了,就此截至吧,还算完整。