第一部分非线振动初步教学课件.ppt
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1、第一章 非线性振动初步,第一节 无阻尼单摆的自由振荡 第二节 阻尼振子 第三节 相图方法 第四节 受迫振荡,非线性振动初步,第一节 无阻尼单摆的自由振荡 1 小角度无阻尼单摆 椭圆点 2 任意角度无阻尼单摆振动 双曲点 3 无阻尼单摆的相图与势能曲线,由牛顿第二定律: 非线性方程 式中角频率:,1 小角度无阻尼单摆 椭圆点,数学表达式,线性化处理 忽略3次以上的高次项 得线性方程,数学表达式,1 小角度无阻尼单摆 椭圆点,令 代入方程得得特征方程: 特征根: 得通解为: 式中 为复常数。由于描述单摆振动的应为实函数,所以常数 必须满足条件: 将 写成指数形式后得: 该式是振幅为P,角频率为 的
2、简谐振动,其振动波形为正弦曲线。角频率只与摆线 l 得长度有关,与摆锤质量无关,称为固有角频率。,数学表达式,1 小角度无阻尼单摆 椭圆点,使 得: 一次积分后: 式中E 为积分常数,由初始条件决定。把 看作为两个变量,则方程是一个圆周方程,圆的半径为 ,振动过程是一个代表点沿圆周转动。,相图,1 小角度无阻尼单摆 椭圆点,1 小角度无阻尼单摆 椭圆点,相图,相图即状态图,是法国伟大数学家庞加莱(Poincare)于十九世纪末提出用相空间轨线表示系统运动状态的方法。相图上每一个点表示了系统在某一时刻状态(摆角与角速度),系统运动状态用相图上的点的移动来表示,点的运动轨迹称为轨线。 能量方程 右
3、边第一项为系统动能K ,第二项为系统势能V,E 是系统的总能量。运动过程中K 和V 两者都随时间变化,而系统总能量E 保持不变。 当K =V =0时,E=0,有 ,这时摆处于静止状态,为静止平衡。 当E 0 时,由于系统总能量保持不变,摆的运动用确定周期描述。不同能量E 相应于半径不同的圆,构成一簇充满整个平面的同心圆或椭圆。 同一圆周或椭圆上各点能量相同,又称为等能轨道。坐标原点是能量E =0 的点,围绕该点是椭圆,故称椭圆轨线围绕的静止平衡点为椭圆点。,周期与摆角无关? 看看实验结果: 定性结论: 1. 周期随摆角增加而增加 2. 随摆角增加波形趋于矩形,单摆周期,2 任意角度无阻尼单摆振
4、动 双曲点,对方程 乘以 后积分 其中 积分 设t = 0时, ,周期为 T,在 时应有 ,故有: 最后得:,单摆周期数学表达式,2 任意角度无阻尼单摆振动 双曲点,在倒立附近,取对铅垂的偏角f 表示摆角, 代入单摆方程 得方程 利用 得方程 积分得双曲方程: 当E0时有 这是在 处的双曲线的渐近线, 这点称为双曲奇点,也称鞍点。 相图上这点为的 点。,2 任意角度无阻尼单摆振动 双曲点,单摆倒立附近的相轨线 双曲奇点,3 无阻尼单摆的相图与势能曲线,基本方程 若取 后积分得 左边第一项是单摆动能 K, 左边第二项是势能 V 右边积分常数E是单摆总能 势能曲线是余弦函数,势能曲线,1.坐标原点
5、 附近相轨线为近似椭圆形的闭合轨道; 2.平衡点 为单摆倒置点(鞍点),附近相轨线双曲线; 3.从 到 或相反的连线为分界线 在分界线内的轨线是闭合回线 单摆作周期振动。分界线以外 单摆能量E 超过势能曲线的极 大值,轨道就不再闭合,单摆 作向左或向右方向的旋转运动,单摆完整相图,3 无阻尼单摆的相图与势能曲线,相图横坐标是以2p为周期的, 摆角 是同一个倒立位置, 把相图上G点与G点重迭一起 时,就把相平面卷缩成一个柱 面。所有相轨线都将呈现在柱 面上。因此,平面上的相轨线 是柱面上的相轨线的展开图。,柱面上的单摆相轨线,3 无阻尼单摆的相图与势能曲线,第二节 阻尼振子 1 阻尼单摆 不动点
6、 2 无驱杜芬方程 3 非线性阻尼 范德玻耳方程,1. 阻尼单摆 不动点,无阻尼时: 设阻尼力与摆的速度成 正比: 取 得: 如果满足 就有:,数学表达式,设解为 得特征方程 l 为待定常数,特征方程解: 故有: 通解为 最后有:,小摆角阻尼单摆的解,1. 阻尼单摆 不动点,对阻尼单摆解 微分 坐标从 变换到u,v 式中 消去时间 t 阻尼单摆轨线矢径随转角增加而缩短,在u,v平面上是向内旋转的对数螺旋线簇。在 平面内也与此类似。 能量耗散使相轨线矢径对数衰减。无论从那点出发,经若干次旋转后趋向坐标原点,原点为“吸引子”,它把相空间的点吸引过来,原点又称不动点。,相轨线 吸引子,1. 阻尼单摆
7、 不动点,1.整相平面被通过鞍点G与G的轨线分成三个区域。 2.在坐标原点附近轨线是向内旋转的对数螺旋线,和小摆角情况相似; 3.鞍点的位置仍在处,,任意摆角下的相图,1. 阻尼单摆 不动点,运动 从倒立开始往下摆,由于能量耗散达不到原有高度。 轨线 从一个鞍点出发到不了另一鞍点,分界线被破坏了。 相流 所有中间区域的相点流向坐标原点。原点是该区域的不动点,是该区域吸引子。左右两个区域也有相应的吸引子,它们分别处在该图左( -2p )和右(+2p )两侧。,2. 杜芬方程,数学上将含有 三次项的二阶方程称为Duffing方程。有驱动力方程为: 实验中系数 由磁铁的吸力调整。 弱磁吸力时 , 强
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- 第一 部分 振动 初步 教学 课件
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