Здесь и в дальнейшем при одновременном использовании нескольких различных систем счисления основание системы к которой относится число будем указывать в виде нижнего индекса
1. Парфенов Е.М., Камышная Э.Н., Усачев В.П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1989. 2. Карпушин В. Б. Виброшумы радиоаппаратуры. –М.: Сов. Радио, 1977. –318 с. 3. Абжирко Н.Н. Влияние вибрации на характеристики электронных антенн. – М.: Сов. Радио, 1974. –168 с. 4. Ковалев Н.А. Прикладная механика. Учебник для вузов. – М.,: Высш. шк., 1972.-400 с. 5. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. –М.: Наука, 1974. –560 с. 6. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. – Т. 1/Под ред. В.В.Болотина. – М.: Машиностроение. 1978. – 352 с. 7. Филлипов А.П. Колебания деформируемых систем. – М.: Машиностроение, 1970. –736 с. 8. Фролов В.А. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры. – К.: Высш. шк., 1979. – 128 с. 9. Справочник конструктора РЭА / Под Ред. Р.Г.Варламова. – М.: Сов. Радио, 1980. – 480 с.
Лабораторная работа 1-3 Механические КОЛЕБАния Цель работы: изучение основных закономерностей колебательного движения. Теория Колебательным движением называется, движение, обладающее той или иной степенью повторяемости во времени. Простейшими колебаниями являются гармонические колебания, т. е. такие колебания, при которых колеблющаяся величина (колебания маятника, поршня и т. п.) изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Уравнение гармонического колебания следующее:
где
где х — колеблющаяся величина (смещение, скорость, ускорение, сила и т. п.), t — время, А — амплитуда колебания, равная максимальному абсолютному значению х (максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия), w — циклическая или круговая частота (рис. 1).
Отсюда
Формула (1) описывает гармоническое колебательное движение, происходящее вдоль какой-либо линии, такие колебания называются колебательными системами с одной степенью свободы (рис. 2 а). Если система может совершать два независимых друг от друга колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, то такая система обладает двумя степенями свободы (рис. 2, б). Пружинный маятник может колебаться в трех независимых направлениях и называется колебательной системой с тремя степенями свободы (рис. 2, в). Если система совершает колебания около положения равновесия (после того как она каким-либо образом была выведена из положения устойчивого равновесия) без воздействия переменных внешних сил, то такие колебания называются собственными или свободными. Частота, с которой колеблется система ( 1. Рассмотрим некоторые примеры свободных незатухающих колебаний тел, т. е. колебаний с неизменной амплитудой. - Колебания груза на пружине. Колебательное движение происходит под действием упругой или квазиупругой силы F (силы, имеющие иную природу, чем упругие силы, но также удовлетворяющие уравнению F=-kx, называются квазиупругими):
Эта сила всегда направлена к положению равновесия, а смещение х — в противоположную сторону, поэтому имеем знак минус. Такая сила называется возвращающей силой. По второму закону Ньютона
где m – масса колеблющегося тела, k – коэффициент упругости;
Из формулы (5) легко определить период собственных упругих колебаний, например, груза на пружине. Так как
- Крутильные колебания. Система совершает крутильные колебания, т. е. такие колебания, при которых твердое тело А, подвешенное на вертикальной невесомой нити (или невесомом стержне В), верхний конец которой закреплен неподвижно в точке О', а ось z совпадает с одной из свободных осей тела, колеблется в плоскости хОу, отклоняясь от оси х на угол При крутильных колебаниях на тело действует возвращающий момент, приостанавливающий отклонение тела от состояния равновесия, а затем сообщающий телу обратное движение. Возвращающий момент М обусловлен упругими силами, возникающими в стержне при его кручении вокруг оси Oz. В случае малых углов
где D — постоянная величина для данного стержня (нити), называется, модулем кручения, a
где J — момент инерции тела А относительно оси Оz. - В вертикальном положении сила тяжести материальной точки Длина дуги х = АС, на которую маятник отклонился от положения равновесия, называется смещением. Если смещение от А к С считать положительным, а от А к В — отрицательным, то сила При отклонении маятника на угол
где l — плечо силы
где
(для малых углов и период свободных колебаний математического маятника
где l — длина математического маятника. 2) Если вместо точки возьмем твердое тело, совершающее колебания под действием собственного веса Р вокруг неподвижной оси О, не проходящей через центр тяжести тела С, то будем иметь физический маятник (рис. 4, б). На рисунке точка О — точка подвеса, С — центр тяжести. При отклонении маятника на угол
Возвращающий момент М, создаваемый силой f1 численно равен:
где L = ОС плечо силы f1. По второму закону динамики для вращательного движения
где J — момент инерции маятника относительно оси О. Из формул (13) и (14) имеем:
Уравнение (15) аналогично уравнениям (4), (7) и (11), поэтому Отсюда период собственных колебаний физического маятника
Выражение маятника. Приведенной длиной физического маятника называется длина некоторого воображаемого математического маятника, которой имеет тот же период колебаний, что и данный физический маятник. На практике приведенная длина физического маятника определяется расстоянием между точкой подвеса маятника О и его центром качания О' (точкой, находящейся от точки подвеса на расстоянии, равном приведенной длине маятника). Центр качания лежит ниже центра тяжести маятника. Маятник, вся масса которого была бы сосредоточена в центре качания, имел бы тот же период, что и математический маятник данной длины. 2. Если колеблющаяся система находится в вязкой среде, то колебания через некоторое время прекратятся. Это явление представляет собой затухающее колебание. Затухающими колебаниями называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Система тел, механическая энергия которых постепенно уменьшается за счет преобразования в другие виды энергии, называется диссипативной. Все реальные колебательные системы являются диссипативными. Энергия в диссипативной системе расходуется на работу против сил трения. Затухающие колебания совершаются при одновременном действии двух сил: упругой силы и силы сопротивления среды. Уравнение затухающего колебания при небольших затуханиях имеет вид:
где m — масса колеблющегося тела, а — его ускорение, -kx — упругая (возвращающая) сила, Fтр= -rv — сила сопротивления среды — сила трения, r — коэффициент сопротивления среды, v — скорость движения тела в среде. Решение уравнения (17) дает зависимость смещения х от времени t:
Отношение двух последующих амплитуд одного и того же знака At и At+T, отстоящих друг от друга на период Т, равно:
и называется декрементом затухания. Натуральный логарифм от этого отношения
называется логарифмическим декрементом затухания. 3. Если на систему действует периодическая сила, поддерживающая колебание системы, то система совершает вынужденные незатухающие колебания. Уравнение вынужденных прямолинейных колебаний имеет вид:
где F — периодически действующая внешняя сила, вынуждающая или возмущающая,
экспериментальная часть задача 1. Определение ускорения силы тяжести при помощи математического маятника. Приборы и принадлежности: маятник, секундомер. При выполнении эксперимента с помощью Interactive Physics рабочий файл – «Lab 1-3-mm.ip».
Математический маятник (рис. 6), применяемый в эксперименте, представляет собой массивный шарик небольшого радиуса, подвешенный на двойной нити для того, чтобы колебания происходили строго в одной плоскости. Ускорение свободного падения с учётом выражения (10) можно определить по формуле:
где Однако, расчёт откуда:
Таким образом, при расчёте ускорения свободного падения по формуле (22) исключаются систематические погрешности, возникающие при измерении длины математического маятника в данной установке. Учёт случайных погрешностей осуществляется статистическим методом. 1. Замерить длину нити маятника 2. Ввести маятник в движение, отклонив шарик на 4-50 от положения равновесия. 3. Измерить время, за которое маятник совершит 10 полных колебаний. 4. По формуле (12) определить период 5. Изменить длину маятника, повторить всю последовательность операций, рассчитать новый период колебаний 6. По формуле (22) определить ускорение свободного падения. 7. Опыт повторить не менее 3-х раз. Выполнить статистическую проверку по методу Стьюдента. Сравнить полученное значение «
задача 2. Изучение собственных колебаний пружинного маятника. Приборы и принадлежности: набор пружин и грузов, штатив, секундомер, сосуд с вязкой жидкостью. Теория метода и описание установки. В данной работе рассматривают простейший случай собственных незатухающих колебаний пружинного маятника, а именно колебания груза на пружине. В воздухе эти колебания можно считать незатухающими. Уравнение таких колебаний имеет вид
где k — коэффициент упругости пружины. Коэффициент k можно определить опытным путем, если измерить величину х, на которую растянется пружина А при подвешивании к ней груза Р=F (рис. 7, а):
Измерения и обработка результатов измерений. Определение коэффициента упругости. 1. Находят коэффициент упругости для каждой пружины по формуле (24). Измерения проводят для каждой пружины при трех различных грузах Р. При выполнении эксперимента с помощью Interactive Physics рабочий файл – «Lab 1-3-pr-1.ip». 2. Период Тi измеряют из 10—15 полных колебаний
где ti - время ni полных колебаний. 3. Находят зависимость собственных колебаний маятника от коэффициента упругости пружины, для чего измеряют периоды Т0 собственных колебаний пружин при одном и том же грузе Р0 и строят график зависимости Т0 от k (по оси абсцисс 4. По формуле (6) вычисляют теоретически коэффициенты упругости пружин используя значения Т0, полученные опытным путем. Вычисленные значения k0 сравнивают с опытными результатами, полученными по формуле (24) для одних и тех же грузов Р. Результаты измерений и вычислений записывают в таблицы для короткой пружины № 1, средней № 2 и длинной № 3 (рис. 8).
Определение логарифмического декремента затухания пружинного маятника методом сравнения амплитуд. 1. Один из грузов Р помещают в сосуд с вязкой жидкостью (рис. 7, б) и приводят в колебание. Измеряют время Вычисляют логарифмический декремент затухания l, для этого формулу (19) преобразуют следующим образом. Время t берут не для одного периода, а для n периодов и вычисляют отношение d двух амплитуд для времени t = 0 и t=t0+nT0, т.е. В это выражение подставляют значения
и получают:
После логарифмирования будем иметь:
Отсюда
где
По этой формуле вычисляют l не менее трех раз, меняя начальную амплитуду А0. Значения Т0 берут из первого упражнения для той пружины, с которой проводили данное измерение. 2. Из формул Измерения и результаты вычислений записывают в таблицу.
Контрольные вопросы 1. Запишите закон движения гармонически колеблющегося тела? 2. Напишите дифференциальное уравнение гармонических колебаний? 3. Что представляют собой свободные и вынужденные незатухающие колебания? 4. Какими выражениями определяются периоды колебаний физического, математического и пружинного маятников? 5. Какие силы называют квазиупругими? 6. Затухающие колебания. Уравнение затухающих колебаний. 7. Как зависит ускорение свободного падения от высоты и географической широты местности? 8. Поясните метод сравнения амплитуд использующийся для определения логарифмического декремента затухания пружинного маятника. литература 1. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М., 1986. 181 с. 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Механика. М., 1989. 225 с. 3. Савельев И.В. Курс общей физики. М., 1987. 4. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. М., 1979.
Основные понятия и определения. Под системой счисления понимается способ представления любого числа с помощью некоторого алфавита символов, называемых цифрами. Все системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Непозиционными системами являются такие системы счисления, в которых каждый символ сохраняет свое значение независимо от места его положения в числе. Примером непозиционной системы счисления является римская система. К недостаткам таких систем относятся наличие большого количества знаков и сложность выполнения арифметических операций. Система счисления называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различное значение, определяющееся позицией цифры в последовательности цифр, изображающей число. Это значение меняется в однозначной зависимости от позиции, занимаемой цифрой, по некоторому закону. Примером позиционной системы счисления является десятичная система, используемая в повседневной жизни. Количество p различных цифр, употребляемых в позиционной системе определяет название системы счисления и называется основанием системы счисления - "p". В десятичной системе используются десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; эта система имеет основанием число десять. Любое число N в позиционной системе счисления с основанием p может быть представлено в виде полинома от основания p: N = anpn+an-1pn-1+... +a1p+a0+a-1p-1+a-2p-2+... здесь N - число, aj - коэффициенты (цифры числа), p - основание системы счисления (p>1). Принято представлять числа в виде последовательности цифр: N = anan-1... a1a0. a-1a-2... В этой последовательности точка отделяет целую часть числа от дробной (коэффициенты при положительных степенях, включая нуль, от коэффициентов при отрицательных степенях). Точка опускается, если нет отрицательных степеней (число целое). В ЭВМ применяют позиционные системы счисления с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную. В аппаратной основе ЭВМ лежат двухпозиционные элементы, которые могут находиться только в двух состояниях; одно из них обозначается 0, а другое - 1. Поэтому основной системой счисления применяемой в ЭВМ является двоичная система. Двоичная система счисления. Используется две цифры: 0 и 1. В двоичной системе любое число может быть представлено в виде: N = bnbn-1... b1b0. b-1b-2... где bj либо 0, либо 1. Восьмеричная система счисления. Используется восемь цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Употребляется в ЭВМ как вспомогательная для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры восьмеричной системы используется три двоичных разряда (триада) (Таблица 1). Шестнадцатеричная система счисления. Для изображения чисел употребляются 16 цифр. Первые десять цифр этой системы обозначаются цифрами от 0 до 9, а старшие шесть цифр - латинскими буквами: 10-A, 11-B, 12-C, 13-D, 14-E, 15-F. Шестнадцатеричная система используется для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры шестнадцатеричной системы счисления используется четыре двоичных разряда (тетрада) (Таблица 1). Таблица 1. Наиболее важные системы счисления.
1.2 Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Перевод чисел в десятичную систему осуществляется путем составления степенного ряда с основанием той системы, из которой число переводится. Затем подсчитывается значение суммы. Пример. а) Перевести 10101101.1012 Здесь и в дальнейшем при одновременном использовании нескольких различных систем счисления основание системы к которой относится число будем указывать в виде нижнего индекса. 10101101.1012 = 1 б) Перевести 703.048 703.048 = 7 в) Перевести B2E.416 B2E.416 = 11 Перевод целых десятичных чисел в недесятичную систему счисления осуществляется последовательным делением десятичного числа на основание той системы, в которую оно переводится, до тех пор, пока не получится частное меньшее этого основания. Число в новой системе записывается в виде остатков деления, начиная с последнего. Пример. а) Перевести 18110
Результат: 18110 = 2658 б) Перевести 62210
Результат: 62210 = 26E16 Перевод правильных дробей из десятичной системы счисления в недесятичную. Пример. Перевести 0.312510
Результат: 0.312510 = 0.248 Замечание. Конечной десятичной дроби в другой системе счисления может соответствовать бесконечная (иногда периодическая) дробь. В этом случае количество знаков в представлении дроби в новой системе берется в зависимости от требуемой точности. Пример. Перевести 0.6510
Результат: 0.6510 Для перевода неправильной десятичной дроби в систему счисления с недесятичным основанием необходимо отдельно перевести целую часть и отдельно дробную. Пример. Перевести 23.12510
Таким образом: 2310 = 101112; 0.12510 = 0.0012. Необходимо отметить, что целые числа остаются целыми, а правильные дроби - дробями в любой системе счисления. Для перевода восьмеричного или шестнадцатеричного числа в двоичную форму достаточно заменить каждую цифру этого числа соответствующим трехразрядным двоичным числом (триадой) (Таб. 1) или четырехразрядным двоичным числом (тетрадой) (Таб. 1), при этом отбрасывают ненужные нули в старших и младших разрядах. Пример. а) Перевести 305.48
б) Перевести 7B2.E16
Для перехода от двоичной к восьмеричной (шестнадцатеричной) системе поступают следующим образом: двигаясь от точки влево и вправо, разбивают двоичное число на группы по три (четыре) разряда, дополняя при необходимости нулями крайние левую и правую группы. Затем триаду (тетраду) заменяют соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой. Пример. а) Перевести 1101111001.11012
б) Перевести 11111111011.1001112
Перевод из восьмеричной в шестнадцатеричную систему и обратно осуществляется через двоичную систему с помощью триад и тетрад. Пример. Перевести 175.248
Результат: 175.248 = 7D.516.
1.3 Двоичная арифметика. Правила выполнения арифметических действий над двоичными числами задаются таблицами двоичных сложения, вычитания и умножения.
При сложении двоичных чисел в каждом разряде производится сложение цифр слагаемых и переноса из соседнего младшего разряда, если он имеется. При этом необходимо учитывать, что 1+1 дают нуль в данном разряде и единицу переноса в следующий. Пример. Выполнить сложение двоичных чисел:
Результат 1101+101=10010. б) X=1101, Y=101, Z=111;
Результат 1101+101+111=11001. При вычитании двоичных чисел в данном разряде при необходимости занимается 1 из старшего разряда. Эта занимаемая 1 равна двум 1 данного разряда. Пример. Заданы двоичные числа X=10010 и Y=101. Вычислить X-Y.
Результат 10010 - 101=1101. Умножение двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных с помощью таблиц двоичного умножения и сложения. Пример. 1001
Результат 1001 Деление двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных. При этом используются таблицы двоичного умножения и вычитания. Пример. 1100.011: 10.01=?
|