阻尼振動

阻尼振動

物理學術語言
阻尼振動是指,由于振動系統受到摩擦和介質阻力或其他能耗而使振幅随時間逐漸衰減的振動,又稱減幅振動、衰減振動。[1]不論是彈簧振子還是單擺由于外界的摩擦和介質阻力總是存在,在振動過程中要不斷克服外界阻力做功,消耗能量,振幅就會逐漸減小,經過一段時間,振動就會完全停下來。這種振幅随時間減小的振動稱為阻尼振動.因為振幅與振動的能量有關,阻尼振動也就是能量不斷減少的振動.阻尼振動是非簡諧運動.阻尼振動系統屬于耗散系統。這裡的阻尼是指任何振動系統在振動中,由于外界作用或系統本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性,以及此一特性的量化表征。
    中文名:阻尼振動 外文名:damped vibration 别名: 别稱:減幅震動、衰減振動 定義:振幅随時間減小的振動

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阻尼運動

機械振動按振幅的變化可分為阻尼振動(減幅振動)和無阻尼振動(等幅振動).

物體做無阻尼振動僅指其振幅大小不變,物體作簡諧運動時,隻受回複力的作用,不受任何阻力,不對外做功,系統沒有能量輸出、輸入,總能量守恒,振幅保持不變,這是一種無阻尼的自由振動.

另外一種是受迫等幅振動.物體在振動的過程中有能量的輸出(損耗),系統又從外界輸入了能量,正好補償了在振動過程中所輸出(損耗)的能量.這種振動系統的能量和振幅都保持不變.這種無阻尼運動并不是不受阻力。

能量的減少

能量減少的方式有兩種:

一種是由于摩擦阻力的作用使振動系統的能量逐漸轉化為熱運動的能量.例如單擺擺動的過程中振幅減小或停下來就是由于系統的阻力作用使擺的機械能轉化為空氣的内能.

另一種是振動系統引起周圍物質的振動,使能量以波的形式向四周發出.例如:琴弦發出聲音不僅因為有空氣的阻力要消耗能量,同時也因為以波的形式輻射而減少能量.最後琴弦會停止振動.

當阻尼很小時,在一段不太長的時間看不出振幅有明顯的減小,就可以把它當作簡諧運動來處理.

動力學方程

假設振動幅度較小時,摩擦力正比于質點的速率,應用牛頓第二定律,我們可以得到阻尼振動的動力學方程。

動力學方程

如圖,以液體中的彈簧振子為例,介紹阻尼振動的動力學方程。

假設:振動速度較小時,摩擦力正比于質點的速率。即:

對物塊應用牛頓第二定律:

為二階線性常系數齊次方程,即阻尼振動的動力學方程。

應用

例如:天平的指針最好處于臨界阻尼狀态。(理想)

電流表、電壓表的指針最好處于臨界阻尼狀态,有時處于欠阻尼狀态。

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