Перетворення Галілея

Перетворення Галілея та механічний принцип відносності

Галілео Галілей (1564 - 1642)

Розглянемо дві системи відліку (СВ): інерціальна система відліку XYZ, яка є нерухомою, та рухому інерціальну систему відліку X’Y’Z’ , котра рухається поступально зі швидкістю u' вздовж осі ОX. Нехай точки О, О’ в момент часу t₀ = 0 співпадають.

Положення довільної точки М в рухомій та нерухомій СВ визначаються відповідно:

 К (XYZ):      М(x,y,z)

 К'(X'Y'Z'):  M'(x',y',z').

Перетворення координат між СВ К та К’

x = x'+ ut

y = y'

z = z'

називаються перетвореннями Галілея.

Ефект Доплера

Ефект Доплера та його прояв у природі

Доплера ефект

Хладнієві фігури

 Хладнієві фігури як приклад стоячих хвиль на плоскій поверхні твердих тіл

Хладнієві - фігури

1787р.,  Ернст Хладні (німецький фізик) придумав спосіб спостереження стоячих хвиль на плоскій поверхні. 

На закріплену пластинку зі скла, металу або дерева насипали пісок. Джерелом стоячих хвиль був звичайний смичок, яким заставляли коливатися пластинку. В процесі експерименту виявлено, що піщинки збиралися на так званих вузлових лініях, утворюючи тим самим фігури Хладні.

Стояча хвиля

 Математичний опис стоячих хвиль 

Встановлення стоячої хвилі

Особливим випадком інтерференції є утворення стоячих хвиль.

Стоячі хвилі – це результат накладання двох біжучих когерентних хвиль з однаковими амплітудами, які поширюються назустріч одна одній.  

Характерною особливістю стоячих хвиль  є наявність у ній вузлів, у яких  амплітуда хвилі дорівнює нулю, та пучностей, у яких амплітуда максимальна, причому положення вузлів і пучностей залишається незмінним у просторі.

Розглянемо дві хвилі однакової частоти, довжини та амплітуди, що розповсюджуються в протилежних напрямках (напприклад назустріч одна одній).  В результаті їх взаємодії (накладання) виникає стояча хвиля.

Вивчаємо складні коливання

Поняття про розклад Фур’є

     варто знати   

Розклад в тригонометричний ряд Фур'є

Більшість коливних процесів періодичні, проте ангармонічні, тобто їх не можна зобразити гармонічними функціями синуса або косинуса.

Теорема  Фур’є твердить, що будь-який періодичний процес із періодом  Т = 2π/ω, де ω – циклічна частота, можна описати як суму нескінченного ряду функцій гармонічних коливань з частотами ω₀, кратними основній частоті ω.

Графік періодичного негармонічного коливання

Нехай f(t) – періодична функція з циклічною частотою ω. 

За теоремою Фур’є її можна записати так:  

f(t) = A₀ + A₁ sin ωt + A₂ sin 2ωt + A₃ sin 3ωt + … + A_n sin nωt .

Енергія хвиль

 Енергія пружної хвилі 

Механічна хвиля в стержні.

Процес поширення хвиль в пружному середовищі супроводжується перенесенням енергії від джерела хвилі у навколишнє середовище, від одних ділянок до інших.

 
Нехай у пружному середовищі вздовж осі Ох поширюється поздовжня хвиля:

 ξ(x,t) = А cos(ωt – kx).

Знайдемо енергію, яку переносить ця хвиля.

 
Умовно виділимо в цьому середовищі малий об’єм ΔV, в якому всі частинки коливаються в однаковій фазі і швидкості частинок однакові. Значення швидкості частинки v знайдемо з рівняння хвилі:

 v = (ξ)´ = - Aωsin(ωt – kx).

Метод розмірностей

Один із методів розв'язку задач 

       засвоюємо вивчене

 

Оптична гра системи математичних маятників

Продовження; початок тут

Познайомимось з методом, котрий існує з часів великого Ньютона. Найчастіше його використовують при перевірці правильності отриманих формул, значно рідше – при розв’язку конкретних задач і отриманні певної функційної залежності.

Минаючи певні математичні особливості обгрунтування цього методу сформулюю коротко його сутність:

Нехай  розмірна фізична величина f  залежить від інших розмірних величин A, B, C, D…, тоді формула зв’язку всіх цих величин може мати лише такий вигляд:

  f =  k A^αB^βC^γD^δ…

В останньому співвідношенні к – певна невідома константа, яку неможливо визначити точно за допомогою цього методу. Показники степені α,β,γ,δ… обчислюються з умови тотожності розмірностей правої і лівої частини співвідношення.

Коливальний механічний рух

Механічні коливання

повторення

 

Пружинний маятник

Коливаннями або коливальними рухами називають такі види механічного руху чи зміни стану системи, які періодично повторюються в часі, наприклад, механічні коливання тіла на пружині, коливання маятників, коливання струн, вібрації фундаментів будівель, електромагнітні коливання в коливальному контурі.

За фізичною природою коливання поділяють на: 

механічні та електромагнітні.

За характером коливань - 

на вільні, вимушені та автоколивання.

 

Хоча коливання досить різноманітні за своєю фізичною природою, але вони мають спільні закономірності й описуються однотипними математичними методами.

Механічні коливання - періодичне зміщення тіла то в один, то в другий бік відносно положення рівноваги.

Механічна система, в якій одне або декілька тіл можуть здійснювати коливальні рухи, називають коливальною системою.

Коливання, які відбуваються лише під дією внутрішніх сил, називають вільними. 

Швидкість механічної хвилі

  Швидкість хвилі в пружному середовищі

Прочитати, законспектувати та вивчити 

Хвилі на воді від гелікоптера.

Нехай відомо, що швидкість поширення механічних хвиль залежить від густини середовища та його пружніх характеристик – коефіцієнта Е (модуля Юнга).

Знайдемо вираз для швидкості хвиль, скориставшись методом розмірностей:

 v = E^a·ρ^b

Розмірність [v] = LT^-1,

розмірність [E] = ML^-1T^-2,

розмірність [ρ] = ML^-3.

Тоді:

[v] = [E^a·ρ^b] → LT^-1 = (ML^-1T^-2)^a·( ML^-3)^b →

0 = a + b

1 = -a – 3b

-1 = -2a.

З останнього рівняння отримаємо: а = ½, а, враховуючи перше, матимемо: 

b = -a = -1/2.

Отже формула для швидкості звуку (чи поздовжньої хвилі) у стержні з металу матиме вигляд

 v = E^1/2ρ^-1/2 = (E/ρ)^1/2.

Подивимось який результат дає точна теорія.

Принцип Гюйгенса

 Принцип Гюйгенса

Християн Гюйгенс

Закони поширення хвиль легко зрозуміти скориставшись принципом Гюйгенса. (Христия́н Гю́йгенс ( 14 квітня 1629 — 8 липня 1695) — нідерландський фізик, механік, математик і астроном, винахідник маятникового годинника з анкерним обмежувачем, автор хвильової теорії світла та праць з оптики і теорії імовірності, відкривач кільця Сатурна і його супутника.).

Кожна точка поверхні, яку досягнула в даний момент хвиля є точковим джерелом вторинних хвиль. Поверхня, дотична до всіх вторинних хвиль, є хвильовою поверхнею в наступний момент часу. 

Хвилі

Механічні хвилі та їх характеристики

Розглянемо пружне середовище, між частинками якого існують сили взаємодії. Тіло, яке коливається в пружному середовищі, періодично діє на прилеглі до нього частинки середовища, виводячи їх з положення рівноваги і змушуючи здійснювати вимушені коливання. При цьому середовище поблизу тіла деформується і в ньому виникають пружні сили. Ці сили діють як на прилеглі до тіла частинки, намагаючись повернути їх у положення рівноваги, так і на віддаленіші від тіла частинки, виводячи їх з положення рівноваги. Віддаленіші від тіла області середовища поступово втягуються в коливальний рух.

Процес поширення коливань в суцільному середовищі, яке неперервно розподілене в просторі і має пружні властивості, називається механічним хвильовим процесом, або механічною хвилею.

При поширенні хвилі частинки середовища не рухаються разом з хвилею, а коливаються біля свого положення рівноваги.  

Основна властивість всіх хвиль є перенос енергії без переносу речовини.

Пружними (або механічними) хвилями називаються поширення коливань у пружному середовищі. Механічні (пружні) хвилі бувають поперечні і поздовжні.

Рис. 1 Поперечна механічна хвиля

У поперечних хвилях частинки середовища коливаються в площинах, які перпендикулярні до напрямку поширення хвилі (рис. 1). Поперечні хвилі можуть поширюватись в середовищі, в якому виникають пружні сили при деформації зсуву, тобто лише у твердих тілах.

Рис.2 Поздовжня механічна хвиля

Додавання коливань

Додавання взаємно перпендикулярних коливань

Фігури Ліссажу

Фігури Ліссажу. Відношення a/b - відношення власних частот незатухаючих коливань

Розглянемо коливальну систему, яка складається з точкової маси m та зв’язаних з нею чотирьох пружин (мал. 1 вид зверху).  Така система володіє двома ступенями вільності. 

Мал. 1

При невеликих зміщеннях коливання відбуватимуться у двох взаємно перпендикулярних напрямках незалежно одне від одного:

із власними частотами гармонічних коливань

Маятник Максвелла

 Вивчаємо коливання. Маятник Максвелла

Окрім  відомого маятника Фуко, не меншою популярністю користується інший маятник – Максвелла.

Маятник Максвелла або YO-YO.

Опишемо рух цієї коливальної системи. Центр мас маятника опускається з лінійним прискоренням а, яке шукатимемо з другого закону Ньютона, записаного в проекціях на вісь, котра співпадає з напрямком прискорення:

  ma = mg – 2N     (1)

Автоколивальна система

Механічні коливання.  Автоколивальні системи

Анкерний механізм та храпове колесо

Незгасаючі вимушені коливання можна отримати дією зовнішньої періодичної сили на коливальну систему. Проте існують коливальні системи, котрі самі здатні керувати зовнішнім впливом, забезпечуючи узгодженість дії сили зі своїм періодичним рухом. Така система називається автоколивальною, а здійснені нею незгасаючі коливання – автоколиваннями.

Автоколивання – незгасаючі коливання, спричинені сталим зовнішнім впливом на систему, котра сама регулює її частоту.

На відміну від вимушених коливань, частота й амплітуда коливань визначаються властивостями самої коливальної системи. Від вільних коливань, автоколивання відрізняються тим, що вони з часом не згасають, а також тим, що їх амплітуда не залежить від початкового короткочасного впливу, який збуджує коливання.

Резонанс

Такомський міст

Механічні коливання. Резонанс

   

Масивні залізо-бетонні конструкції вигинаються немов папір.

Кожне тіло характеризується власною частотою вільних незатухаючих коливань. Якщо на коливальну систему подіяти зовнішньою періодичною силою, частота коливання якої майже дорівнює частоті вільних коливань тіла, то різко зростає амплітуда коливань системи. Дане явище у фізиці називають резонансом.

42 хвилини

Дві задачі на механічні коливання

        

Задача 1. Визнвчити час польоту каменя від одного полюса Землі до другого по прямому тунелю, проритому через її центр. Густина Землі постійна, радіус дорівнює 6370км.

Р о з в’я з о к. Тіло в тунелі буде здійснювати гармонічні коливання навколо положення рівноваги, яким є центр Землі. (точка О, мал.1).

мал. 1

Гідродинаміка та аеродинаміка

Задачі кількісні та якісні

Готуємось до заліку

сторінка 1

Закон збереження імпульсу та реакція струмини

1. Закон збереження імпульсу та реакція струмини

Готуємось до заліку

ПІДІЙМАЛЬНА СИЛА КРИЛА

Додатково (для тих хто бажає мати оцінку - "блискуче"- 12)

2. Метод розмірностей.

сторінка 1

Рух рідин та газів

Механіка рідин та газів

Додаткові матеріали до лекції "Рух рідин та газів"

1. Основні поняття

сторінка 1

Обертання твердих тіл

Обертання твердих тіл (якісні задачі)

готуємось до ЗАЛІКУ

1. Як пов’язана кутова швидкість: а) з частотою обертання n; б) періодом; в) радіусом?

2. Вал почав обертатись так, що доцентрове прискорення точок його поверхні збільшилось у к раз. Як змінилась кутова швидкість вала?

3. Диск радіусом R  робить n обертів за секунду. Обчисліть: а) швидкість точок його поверхні; б) їх доцентрове прискорення?