合振动的初相位确定方法
合振动的初相位确定方法
梁沙莎
( 延安大学西安创新学院 建筑工程系 陕西 长安区 710100) 引言
振动是自然界中最常见的运动形式之一,同时也是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。随着生产技术的发展,动力结构又向大型化,复杂化,轻量化和高速化发展的趋势,由此而带来的工程振动问题更为突出。振动在当今不仅作为基础科学的一个重要分支,而且正走向工程科学发展的道路,它在地震学、建筑力学、机械、航空、航天、等工业技术部门中占有越来越重要的地位。因此,掌握同方向同频率简谐振动合成中初相位的确定方法,从而为研究现代科学技术振动和动态问题是十分重要的,更为初学者探讨振动问题打下良好的基础。 一、简谐振动基本概念
物体运动时,如果离开平衡位置的位移(或角位移)按余弦函数(或按正弦函数)的规律随时间变化,这种运动称为简谐振动,简称谐振动[1]。简谐振动是一种最简单和最基本的振动,一切复杂的振动都可以看作是由若干个简谐振动合成的结果。而振动的合成问题实际上是个运动合成问题,合振动的求解方法是用矢量求和的方法。同方向同频率的的合成是简谐振动合成最简单的形式,对于这种合成的求解,可以用代数法,也可以用几何法。各种相关资料中都只有这个合成的结果,却没有对合成振动初相位两个步的探讨挑选其中的一个最佳二、简谐振动合成分析
由相关计算可知,这个合成的运动是简谐振动。若两个分振动的表达式是:
ϕ
值的比较,和用什么样的方法进一
ϕ
值。下面就此问题进行深究。
A cos(wt +ϕ) x 1=11
x 2=A 2cos(wt +ϕ2)
则合振动的表达式是:
x =A cos(wt +ϕ)
合振动的振幅是:
2212
A =
A +A +2A 1A 2cos(ϕ1-ϕ2) ①
说明:合振动的振幅与两个分振动的振幅合振动的初相位: 1
A 1,A 2和初相位ϕ1, ϕ2都有关
A sin ϕ1+A 2sin ϕ2
tg ϕ=
② A 1cos ϕ1ϕ+1A cos ϕA 1sin +2A sin ϕ222
sin ϕ=或
A A 2cos ϕ2 ③ A 1cos ϕ1+
cos ϕ=或 ④
A
说明:合振动的初相们与分振动的振幅A 1,A 2和初相位ϕ1, ϕ2都有关。由此可见,这是确实合振动的振幅A 和初相位ϕ的确定与简谐振动确定振幅和
初相的不同之处是:这里的振幅和初相位不是由初始条件确定的,完全由两个分振动的振幅和初相位决定。
三、简谐振动合成初相位的确定方法
各种科技资料中,都只给出了初相位的计算公式,但这是一个三角函数表达式。对于确定的
A 1,A 2,ϕ1, ϕ2,就是在一个同期中,ϕ
也应该有两个
值,这是数字计算所给出的结果,毋庸质疑。问题是:怎样从这两个
ϕ
值中确
定这个合振动的初相位?怎样进行挑选?一般的科技资料中都没有给出。对于这类问题,初次接触是不易解决的。我们学习土木工程专业的学生研究振动很有必要。因为我国是一个多地震的区域,各种建筑物的设计中必须考虑防震的因素,
因此,必须深刻理解、牢固掌握、灵活运用有关地震方面的振动知识,确定合振的初相位
ϕ对于ϕ
。
值的确定,可以按以下几种情况,通过不同途径计算和挑选。
(一)当
ϕ1≠ϕ2时
ϕ
值
方法I :通过计算、比较、确定
由②、③、④中的任意两式分别计算可各得两个部分即为所挑选出的
ϕ
值,两组
ϕ
值的重叠
ϕ值。
方法II :通过计算,结合旋转矢量图确定ϕ。
由旋转矢量法可知:振幅矢量A 1, A , A 都以角速度w 沿逆时针方向转动,因此,在旋转过程中,平行四边形的形状不会发生变化,可用t=0时刻讨论ϕ的
值,所需要的那个
取值。
ϕ
由图可知,A 与x 轴的夹角就是ϕ,且ϕ1
(二)当
说明两个简谐振动是反相位的,从旋转矢量图上可以看出,合振幅A 与
A 1和A 2共线,由①式知:
A =A 1-A 2
ϕ1-ϕ2=±π时
算 ,只需用A 与A 1或A 2的指向关系,就可用ϕ1或ϕ2表示ϕ,从而确定了ϕ:
当A 1>A 2时,A 与A 1同指向,则ϕ=ϕ1,
当A 1
1
在此情况,可不必用②、③、④式进行计
说明两个简谐振动是同相位的,从旋转矢量图上可以看出,振幅矢量A 与
A 1和A 2同指向,则有 ϕ=ϕ1=ϕ2
在此情况下,也不必用②、③、④式进行计算,只用A 与A 1和A 2的指向关系就可确定ϕ。
四、例证
A =42+32+2x 4x 3-(-π]5π6x 23cos(10t +) 6
6=1求合振动的表达式。
5π
x 1=4cos(10t +
π
)
π5πϕ14≠ϕI cos +3cos(-) πcos 4=) 616sin ϕ
解:用
+3(-) =
可解得: 222
取它们的重叠部分,则有
313=4x +3(-) =
221211
=4x
5π[4sin +3sin(-)]还可计算: tg ϕ=
5
[4cos +3sin(-)]π7ϕ=π66可解得:或
66π
ϕ=
同样,由cos ϕ与tg ϕ的重叠部分,则有
6πϕ=
同样,由sin ϕ与tg ϕ的重叠部分,则有
6
则合振动的表达式:
π
x =A cos(ωt +ϕ)
π
=1cos(10t +)
6
方法II :
5
ϕ-ϕ=-(-π) =π12由于
66 ,可用情况(二)进行计算。
由于A 1>A 2,说明:旋转矢量A 与A 1同指向,则
π
ϕ=ϕ1=
6
通过上文对简谐振动合成分析,探讨了同方向同频率简谐振动合成中初相位
π
五、结论(很重要,可以参照摘要加以扩充)
的确定方法,提出了一种初相位的简便确定方法。
ϕ1≠ϕ2时,两组ϕ值的重叠部分即为所挑选出的ϕ值,所需要的那个ϕ值。(即就取介于ϕ1和ϕ2之间的那个为ϕ值。)
(二)当ϕ1-ϕ2=±π时,用A 与A 就可用ϕ11或A 2的指向关系,或ϕ2表示ϕ,从而确定了ϕ:
当A 1>A 2时,A 与A 1同指向,则ϕ=ϕ1,
当A 1
ϕ。 (三)当ϕ=ϕ2时,用A 与A 1和A 2的指向关系就可确定
(一)当
通过具体例子,证明这种方法是正确可行的,结论是正确的。对于我国这样一个地震多发国家的建筑物设计人员,有着不可忽视的作用;也为探讨振动问题的科技人员提供理论基础。 参考文献
《普通物理学》程守洙编(高等教育出版社)1998年版[1] 《大学物理》朱峰主编(清华大学出版社)2004年版
《高等数学》同济大学应用数学系主编(高等教育出版社)2002年(5)版