Φυσική Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας Γ΄ τάξη Γενικού Λυκείου (ΤΕΥΧΟΣ Γ΄)
1-7 ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ
Το σώμα Σ του σχήματος 1.34 βρίσκεται πάνω σε οριζόντια βάση και είναι δεμένο στις άκρες δύο ελατηρίων, οι άλλες άκρες των οποίων είναι στερεωμένες σε ακίνητα σημεία. Το σώμα μπορεί να κινείται χωρίς τριβές. Αν το σώμα απομακρυνθεί από τη θέση ισορροπίας του και αφεθεί ελεύθερο θα εκτελέσει απλή αρμονική ταλάντωση (με περίοδο Τ1). Αν και η βάση πάνω στην οποία βρίσκεται το σώμα -με κατάλληλο μηχανισμό- εκτελεί αρμονική ταλάντωση (με περίοδο Τ2), το σώμα Σ κάνει ταυτόχρονα δυο αρμονικές ταλαντώσεις. Η ταλάντωση της βάσης δεν είναι απαραίτητο να γίνεται στη διεύθυνση της ταλάντωσης του σώματος. Η κίνηση του σώματος Σ είναι, γενικά, πολύπλοκη. Η διεύθυνση, η συχνότητα, το πλάτος και η φάση της εξαρτώνται από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά των επί μέρους ταλαντώσεων. Η κίνηση που κάνει το σώμα λέγεται σύνθετη ταλάντωση και η μελέτη της σύνθεση ταλαντώσεων. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε μερικές ειδικές περιπτώσεις σύνθεσης ταλαντώσεων.
Έστω ότι ένα σώμα Σ κάνει ταυτόχρονα τις ταλαντώσεις με εξισώσεις x1=A1ημωt (1.22)(Σχ.1.35α) x2=Aημ(ωt+φ) (1.23)(Σχ.1.35β) |
Σχ. 1.34 Το σώμα Σ εκτελεί ταυτόχρονα δυο ταλαντώσεις. |
Σχ. 1.35 Το σώμα Σ κάνει ταυτόχρονα τις αρμονικές ταλαντώσεις (α) και (β). Η απομάκρυνσή του κάθε στιγμή είναι ίση με το αλγεβρικό άθροισμα των απομακρύνσεών του στις επιμέρους ταλαντώσεις στις οποίες μετέχει (γ).
Σχ. 1.36 (α) Από τη σύνθεση των ταλαντώσεων 1 και 2 που έχουν την ίδια φάση, προκύπτει η ταλάντωση 3. (β) Από τις ταλαντώσεις 1 και 2 που παρουσιάζουν διαφορά φάσης 180° προκύπτει η ταλάντωση 3.
|
Σύμφωνα με την αρχή της επαλληλίας των κινήσεων, η απομάκρυνση του σώματος κάθε στιγμή θα είναι το άθροισμα των απομακρύνσεων που θα είχε αν έκανε την κάθε ταλάντωση ξεχωριστά (σχ. 1.35γ), δηλαδή x=x1+x2 (1.24) Αν λάβουμε υπόψη τις (1.22) και (1.23) η (1.24) γίνεται x=A1ημωt+A2ημ(ωt+φ) (1.25) Η σχέση αυτή μπορεί να πάρει τη μορφή x=Aημ(ωt+θ) (1.26) όπου,
και
Το συμπέρασμα που προκύπτει από την (1.26) είναι ότι το σώμα Σ κάνει απλή αρμονική ταλάντωση γύρω από το σημείο Ο, με την ίδια διεύθυνση και την ίδια συχνότητα. Το πλάτος και η αρχική φάση της ταλάντωσης εξαρτώνται από τα στοιχεία των επί μέρους ταλαντώσεων. Στην ειδική περίπτωση που φ = 0 (σχ. 1.36α). οι σχέσεις (1.27) και (1.28) δίνουν Α=Α1+Α2 και θ=0 δηλαδή το πλάτος της ταλάντωσης είναι ισο με το άθροισμα των πλατών και η φάση της είναι ίδια με τη φάση των επιμέρους ταλαντώσεων. Όταν φ=180o, πάλι από (1.27) και (1.28), προκύπτει ότι A=|Α1-Α2| και θ = 0 ή θ=180o (σχ. 1.36β), δηλαδή το πλάτος είναι ίσο με τη διαφορά των πλατών και η φάση ίση με τη φάση της ταλάντωσης που έχει το μεγαλύτερο πλάτος. |
x1=Aημωt (1.29)(Σχ.1.35α) x2=Aημ(ωt+φ) (1.30)(Σχ.1.35β)
x=x1+x2 (1.31)(Σχ.1.35γ) η οποία από τις (1.29) και (1.30) γίνεται x=Aημω1t+Aημω2t (1.32) Με βάση την τριγωνομετρική ταυτότητα
η (1.32) γίνεται
Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι η κίνηση του σώματος είναι πολύπλοκη. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η κίνηση στην περίπτωση που οι δύο επιμέρους γωνιακές συχνότητες διαφέρουν πολύ λίγο. Τότε ο παράγοντας A' = 2Aσυν της σχέσης (1.33) μεταβάλλεται με το χρόνο πολύ πιο αργά από τον παράγοντα Επομένως η (1.33) μπορεί να γραφεί x = A'ημωt (1.35) Η σχέση (1.35) περιγράφει μια ιδιόμορφη ταλάντωση που έχει την ίδια περίπου συχνότητα με τις επί μέρους ταλαντώσεις. Το πλάτος |Α′| της κίνησης του Σ μεταβάλλεται, με αργό ρυθμό, από μηδέν μέχρι 2Α. Λέμε ότι η κίνηση του Σ παρουσιάζει διακροτήματα (σχ. 1.37). Ο χρόνος ανάμεσα σε δύο διαδοχικούς μηδενισμούς (ή δύο διαδοχικές μεγιστοποιήσεις) του πλάτους ονομάζεται περίοδος (Τδ) των διακροτημάτων. |
Σχ. 1.37 Από τη σύνθεση δύο ταλαντώσεων που οι συχνότητές τους διαφέρουν πολύ λίγο (πράσινη και μπλε γραμμή) προκύπτει ιδιόμορφη περιοδική κίνηση (κόκκινη γραμμή) που παρουσιάζει διακροτήματα.
|
(1.33)
(1.34)
ο οποίος μεταβάλλεται με γωνιακή συχνότητα 
ίση με τη μέση τιμή των ω1 και ω2 ειδή αυτές διαφέρουν ελάχιστα μπορούμε να γράψουμε 
= 0.
t = (2K+1) 
