by 
Θέμα 23136
΄Εχουμε έναν απλό αρμονικό ταλάντωτη, χωρίς απόσβεση. Τι νόημα έχει η ερώτηση 4.4;
Χωρίς όρο -bυ το σύστημα μπορεί να βρεθεί σε συντονισμό;
Ο υποψήφιος ξέρει ότι αν b = 0, το πλάτος της ταλάντωσης θα αυξάνεται τείνοντας στο άπειρο.
Ο απλός αρμονικός ταλαντωτής χωρίς απόσβεση δεν μπορεί να βρεθεί σε πραγματικό συντονισμό, γιατί ο συντονισμός προϋποθέτει απόσβεση.
Θα πει ο κατασκευαστής ότι: “δεν είναι αυτός ο στόχος της ερώτησης αλλά η σύγκριση των f και f0.” Το θεωρητικό μέρος όμως τι γίνεται; Το αγνοούμε;
Η εκφώνηση μπορεί να πρόσθετε ότι “δημιουργούμε μια μικρή απόσβεση και ασκούμε εξωτερική δύναμη κ.λ.π.”
Καλημερα Ανδρέα. Γιατι ο συντονισμος προυποθετει αποσβεση; Οταν η συχνοτητα της διεγειρουσας δυναμης γινει ιση με την ιδιοσυχνοτητα του ταλαντωτη,ειτε υπαρχει αποσβεση ειτε οχι παλι συντονισμος δεν λεγεται; Δεν καταλαβα που ειναι το προβλημα.
Ανδρέα, με κάθε σεβασμό στη διατύπωση του σχολίου σου σου, θα ήθελα να κάνω μια μικρή θεωρητική διευκρίνιση σχετικά με τον όρο “συντονισμός” στον απλό αρμονικό ταλαντωτή χωρίς απόσβεση, καθώς στο σημείο αυτό υπάρχει μια λεπτή αλλά σημαντική διάκριση στη βιβλιογραφία.
Στην περίπτωση εξαναγκασμένης ταλάντωσης με απόσβεση b>0, το πλάτος της μόνιμης ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση:
A(ωδ) = (F0/m) / √[(ω0² − ωδ²)² + ((b/m)·ωδ)²] (1)
Το πλάτος αυτό παρουσιάζει μέγιστο (φαινόμενο συντονισμού πλάτους) για μια συχνότητα διεγέρτη ωδ η οποία είναι λίγο μικρότερη από τη φυσική συχνότητα ω0 του συστήματος.
Χρειάζεται, όμως, η απόσβεση ως προϋπόθεση για να υπάρξει συντονισμός; Όχι. Η παρουσία απόσβεσης δεν αποτελεί αναγκαία συνθήκη για την εμφάνιση του φαινομένου.
Για ωd≠ω0 και χωρίς απόσβεση (b = 0), η σχέση (1) απλοποιείται στην::
A(ωδ) = (F0/m) / (ω0² − ωδ²)
Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα εκτελεί μια κανονική εξαναγκασμένη ταλάντωση με το συγκεκριμένο σταθερό πλάτος.
Μαθηματικά και φυσικά, ο συντονισμός εμφανίζεται ακριβώς όταν
ωδ=ω0
Αυτή η συνθήκη ισχύει και με απόσβεση και χωρίς απόσβεση. Όταν όμως συμβαίνει αυτό, η παραπάνω μαθηματική έκφραση του πλάτους παύει να ισχύει, καθώς ο παρονομαστής μηδενίζεται και το πλάτος τείνει στο άπειρο.
Μελετώντας τη χρονική εξέλιξη του συστήματος σε κατάσταση συντονισμού χωρίς απόσβεση για μεγάλους χρόνους (t >>1/ω0), καταλήγουμε στην πλήρη λύση της διαφορικής εξίσωσης, η οποία λαμβάνει την προσεγγιστική μορφή:
x(t) = F0t/(2mω0)ημω0t,
Η κίνηση αυτή χαρακτηρίζεται από ένα χρονικά εξαρτώμενο πλάτος:
A(t) = F0t/(2mω0) (αν t >>1/ω0)
Καθώς ο χρόνος t αυξάνεται (t >>Τ0), το πλάτος A(t) αυξάνεται γραμμικά και θεωρητικά τείνει στο άπειρο. Αυτό ακριβώς περιγράφει το φαινόμενο του ιδανικού συντονισμού.
Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή είναι και η ειδοποιός διαφορά: τα συστήματα με απόσβεση καταλήγουν πάντα σε μια σταθερή, μόνιμη κατάσταση ταλάντωσης (steady state), ενώ τα ιδανικά συστήματα χωρίς απόσβεση δεν φτάνουν ποτέ σε πραγματική μόνιμη κατάσταση, αφού το πλάτος τους μεταβάλλεται διαρκώς.
Είναι σωστή η διατύπωση της άσκησης;
Εδώ ανακύπτει ένα λεπτό ζήτημα. Η εκφώνηση αναφέρει:
«Μετά από αρκετό χρόνο επιδρά στο σύστημα δύναμη F = F0συν(20πt). Να βρείτε την περίοδο ταλάντωσης του συστήματος και να εξετάσετε αν θα βρεθεί σε συντονισμό.»
Εφόσον από τα προηγούμενα ερωτήματα έχει υπολογιστεί ότι η ιδιοσυχνότητα του συστήματος είναι ω0=10π rad/s, ενώ η διεγείρουσα δύναμη έχει κυκλική συχνότητα ωδ =20π rad/s, προκύπτει προφανώς ότι:
ωd≠ω0
Συνεπώς, ανεξάρτητα από το αν το μοντέλο της άσκησης περιλαμβάνει απόσβεση ή όχι, το σύστημα δεν πρόκειται να βρεθεί σε κατάσταση συντονισμού. Κατά μία έννοια, η απουσία αναφοράς σε όρο απόσβεσης στην εκφώνηση δεν δημιουργεί πρόβλημα στην επίλυση αυτού του συγκεκριμένου ερωτήματος, αφού η απόρριψη του συντονισμού βασίζεται αποκλειστικά στη διαφορά των συχνοτήτων.
Καλημέρα συνάδελφοι. Κωνσταντίνε, Τάσο σας ευχαριστώ για το σχολιασμό.
Πως ορίζεται ο συντονισμός;
Η κατάσταση για την οποία το πλάτος της εξαναγκασμένης ταλάντωσης γίνεται μέγιστο στη μόνιμη κατάσταση.
Το πλάτος- ενικός – ένα πλάτος.
Αυτό απαιτεί απόσβεση, γιατί μόνο τότε υπάρχει μόνιμη κατάσταση.
Χωρίς απόσβεση, δεν υπάρχει μόνιμη κατάσταση, άρα δεν υπάρχει συντονισμός με τη φυσική έννοια.
Η άσκηση 4.4 ρωτάει αν το σύστημα “βρίσκεται σε συντονισμό”.
Αλλά:
Άρα δεν μπορούμε να μιλήσουμε για “συντονισμό” με τη φυσική έννοια.
Άρα η ερώτηση είναι λανθασμένη ή παιδαγωγικά ατελής.
Το ότι οι συχνότητες είναι διαφορετικές (20π και 10π) απλώς κάνει την απάντηση εύκολη. Αλλά η ίδια η ερώτηση είναι προβληματική.
Αν ω=ω0 και δεν υπάρχει απόσβεση:
Δεν έχουμε ένα πολύ μεγάλο πλάτος. Αυτό το φαινόμενο είναι καθαρά μαθηματικό φαινόμενο, όχι φυσικό.
Έχουμε ταλάντωση κατά την οποία ο ταλαντωτής θα βρίσκεται σε όλο και πιο µεγάλες µέγιστες αποστάσεις από τη x=0 µέχρις καταστροφής του συστήµατος. Αν θέλουμε τη μαθηματική ισότητα ω = ω0 να την πούμε “συντονισµό” δε διαφωνώ αλλά δεν έχει καμια σχέση με τον φυσικό συντονισμό, όταν αυτός συμβαίνει.
Kαλημερα Ανδρεα και Τάσο.Ανδρεα δεν συμφωνω. Ο ορισμος “Η κατάσταση για την οποία το πλάτος της εξαναγκασμένης ταλάντωσης γίνεται μέγιστο στη μόνιμη κατάσταση.” ειναι δικος σου ορισμος του συντονισμου. Τα παιδια αλλα ουτε και εγω,δεν γνωριζουμε κατι τετοιο.Αν δουμε τι λεει το σχολικο τοτε η ασκηση που παρουσιασες κατα την γνωμη μου ειναι μια χαρα. Αλλα και σε οσα βιβλια κοιταξα πουθενα δεν γραφει οτι πρεπει να υπαρει steady state για να οριστει ο συντονισμος. Οταν με μηδενικη αποσβεση οι συχνοτητες της διεγειρουσας δυναμης και η ιδιοσυχνοτητα του συστηματος ταυτιζονται εχουμε μια γραμμικη αυξηση του πλατους μεχρι το συστημα να διαλυθει,και δεν εχουμε steady state, βρισκομαστε ομως ηδη σε κατασταση συντονισμου.Η αν μια Γεφυρα διαλυθει λογω συντονισμου,αυτη βρισκοταν σε κατασταση συντονισμου και λιγο πριν διαλυθει.Η γνωμη μου ειναι οτι ισως καποιοι μεμονωμενοι συγγραφεις θεωρουν οτι για να εχουμε συντονισμο πρεπει αναγκαστικα να εχουμε steady state, και εσυ μαλλον κατι τετοιο ακολουθεις αλλα αυτο δεν σημαινει οτι πρεπει να το ακολουθουν και οι μαθητες.
Κωνσταντίνε προφανώς και είναι θέμα ορισμού.
Εγώ λέω:
Συντονισμός = μέγιστο πλάτος στη μόνιμη κατάσταση
Μόνιμη κατάσταση υπάρχει μόνο με απόσβεση
Άρα χωρίς απόσβεση δεν υπάρχει φυσικός συντονισμός
Εσύ λες:
Συντονισμός = ισότητα συχνοτήτων
Ακόμη κι αν το πλάτος αυξάνεται χωρίς όριο, αυτό είναι συντονισμός
Δεν χρειάζεται steady state για να οριστεί ο συντονισμός
Όμως στο σχολικό:
το πλάτος είναι σταθερό,
η εξαναγκασμένη ταλάντωση είναι περιοδική,
υπάρχει μόνιμη κατάσταση.
Στον ιδανικό ταλαντωτή:
το “πλάτος” δεν είναι σταθερό,
η κίνηση δεν είναι περιοδική,
δεν υπάρχει μόνιμη κατάσταση.
Άρα το σχολικό δεν μπορεί να εννοεί αυτή την περίπτωση ως “συντονισμό”, γιατί καταρρέει όλο το μοντέλο που διδάσκει.