Какие колебания называются нелинейными. Нелинейные колебания и синхронизация колебаний

НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Нелинейность процессов, в том числе и колебаний, математически выражается в нелинейности соответствующих уравнений движения. С точки зрения физики нелинейность колебаний характеризуется двумя совершенно различными свойствами: ангармоничностью и неизохронностью. Под ангармоничностью понимают наличие в спектре колебаний частот, кратных основной, - Фурье-гармоник, или обертонов. Неизохронными называются колебания, частоты (основной и высших гармоник) которых зависят от амплитуды или энергии колебаний.

Классическим примером нелинейных колебаний может служить обращение планет вокруг Солнца - задача, с решения которой начались современные механика и физика. По третьему закону Кеплера, частота со обращения планет вокруг Солнца задаётся их полной энергией:

w=│E │ 3/2 .

Неизохронность, вообще говоря, не связана с ангармоничностью. Так, заряженная частица, движущаяся по круговой орбите в постоянном магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света, совершает колебания чисто гармонические, а частота её обращения обратно пропорциональна энергии.

НЕЛИНЕЙНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Линейный (в отсутствие затухания - гармонический) осциллятор - основная модель линейной теории колебаний. Его уравнение движения (по второму закону Ньютона):

где х - величина, колебания которой описывает модель (амплитуда смещения маятника, ток или напряжение в колебательном контуре, численность популяции и т. д.),- её «ускорение».

Нелинейный осциллятор - основная модель нелинейной теории колебаний. Его уравнение движения:

где f (.х ) - нелинейная функция, содержащая по крайней мере один нелинейный (не первой степени по х ) член. Полная энергия системы не зависит от времени, т. е. система консервативна.

Неизохронные колебания совершает, например, частица в плоской потенциальной яме - ящике с бесконечно высокими стенками:

U(x) =0 при - l / 2<х< l / 2; U(х) =¥ при х £- l / 2, х >l / 2.

Частица движется с постоянной скоростью внутри ящика, мгновенно упруго отражаясь на границах. Её кинетическая энергия Е к = mv 2 /2, т. е. скорость V = Ö (2Е к / m ) зависит от энергии. Период колебаний частицы выражается формулой

Из формулы (3) видно, что период колебаний убывает с ростом энергии (для других систем он может возрастать).

Закон сохранения энергии Е осциллятора (консервативной нелинейной системы) имеет вид

Полную качественную картину движения нелинейного осциллятора даёт его фазовый портрет. Из закона сохранения энергии можно вывести

ЛЕОНИД ИСААКОВИЧ МАНДЕЛЬШТАМ

Даже неполный перечень открытий и фундаментальных работ академика Леонида Исааковича Мандельштама (1879-1944) поражает разнообразием: комбинационное и флуктуационное рассеяние света, теория микроскопа, нелинейные колебания и радиотехника, теория резонансов, радиогеодезия, новый вид генераторов электромагнитных волн - параметрические машины. Исключительная, чтобы не сказать болезненная, требовательность Л. И. Мандельштама к результатам работы не позволила включить в этот перечень ряд других, не менее важных открытий, - например, экспериментальное обнаружение в 1912 г. (за несколько лет до классических опытов Стюарта и Толмена) инерции электронов в металлах.

Но за всем впечатляющим разнообразием достижений и широтой интересов в научном творчестве Мандельштама отчётливо прослеживается главная тема - теория колебаний. Впервые познакомившись с этой областью по двухтомной «Теории звука» лорда Рэлея, Мандельштам проникся красотой её идей и неоднократно прибегал к «колебательной помощи», позволявшей находить аналогии между результатами из разных разделов физики.

В Мандельштаме счастливо воплотилось редкое сочетание теоретика и экспериментатора, исследователя и лектора. Он говорил, что существует понимание первого рода, когда читают и понимают всё, что написано, могут вывести любую формулу, но ещё не способны самостоятельно ответить на любой вопрос из прочитанного, и понимание второго рода, когда ясна вся картина, вся связь идей, явлений. Глубокий и тонкий мыслитель, Мандельштам достиг понимания второго рода всей физики и щедро делился знаниями с многочисленными учениками (среди них А. А. Андронов, А. А. Витт, Г. С. Горелик, Г. С. Ландсберг, М. А. Леонтович, В. В. Мигулин, С. М. Рытов, С. П. Стрелков, И. Е. Тамм, С. Э. Хайкин, С. П. Шубин и др.) и студентами.

Родился Мандельштам в Могилёве в семье, давшей миру учёных, врачей и писателей. Вскоре семья переехала в Одессу. До 12 лет мальчик учился дома, затем в гимназии, которую окончил с золотой медалью. В 1897 г. он поступил на математическое отделение физико-математического факультета Новороссийского университета (в Одессе). Через два года в связи со студенческими волнениями юношу исключили из университета. По совету родителей Мандельштам уехал в Страсбург, один из центров физических исследований, где и продолжил образование. В Страсбургском университете тогда преподавали математик Генрих Вебер (ученик Римана и автор классического курса «Дифференциальные уравнения математической физики»), физик Фердинанд Браун (по совместительству директор Физического института), кафедрой теоретической физики заведовал Эмиль Кон (автор известного труда «Электромагнитное поле»).

Профессор, д. ф.м. н.

1. Введение

Переменные состояния. Оператор эволюции. Динамические системы (ДС). ДС с сосредоточенными и распределенными параметрами (ДССП и ДСРП). Математическая модель ДССП. Число степеней свободы. Обобщенные координаты и скорости. Фазовые пространства. Интегральные кривые и фазовые траектории. Классификация динамических систем. Методы теории нелинейных колебаний (классификация).

2. Колебания в линейных системах

Линейные автономные динамические системы с одной степенью свободы (линейный осциллятор). Фазовые портреты таких систем. Модели Ломки и Вольтерра. Плоскость параметров системы. Бифуркационные кривые. Неавтономные системы. Резонанс. Нормальные координаты. Колебания в линейных системах с двумя степенями свободы (связанные осцилляторы). Коэффициенты распределения, связанности и связи, графики Вина, внутренний резонанс. Вынужденные колебания в таких системах. Обобщение на n степеней свободы. Колебания в нормальных координатах. Параметрические колебания. Модели Хилла и Матье. Теорема Флоке.

3. Теория устойчивости ДС.

Понятие устойчивости по Ляпунову. Устойчивость равновесного состояния. Устойчивость периодического движения. Прямой метод Ляпунова. Метод первого приближения. Устойчивость линейных систем. Критерии устойчивости Рауса, Гурвица, Михайлова, Найквиста. Устойчивость неавтономных систем.

4. Аналитические методы

Особенности аналитических методов. Метод малого параметра Пуанкаре. Нерезонансные вынужденные колебания. Задача Дюффинга. Колебания при резонансе на основной гармонике и на субгармониках. Модель Дюффинга и нелинейный резонанс. Нелинейные фазовые колебания в циклических накопителях электронов. Собственные периодические колебания нелинейных систем. Вариационные методы. Метод Галеркина. Метод вариации параметров. Асимптотические методы. U-метод для автономных систем. Модель Ван-дер-Поля. Триодный генератор. Вращающаяся фазовая плоскость. Асимптотический метод для неавтономных систем. Эквивалентная линеаризация нелинейных систем. Метод усреднения. Перемещение Ван-дер-Поля. Нелинейный резонанс. Перекрытие нелинейных резонансов. Автоколебания в многочастотных системах. Вынужденная синхронизация. Конкуренция. Взаимная синхронизация мод.

5. Качественные методы

5.1. Фазовые портреты консервативных систем. Построение фазовых траекторий на основе энергетического баланса. Фазовые траектории в окрестности равновесного состояния. Типы движений в консервативных системах. Орбитная устойчивость. Неизохронность и ангармоничность нелинейных колебаний. Одночастичные движения в магнитной ловушке (электрон в продольном поле). Модель Вольтерра. Ансамбль нелинейных осцилляторов. Фазовый портрет перекрытия нелинейных резонансов.

5.2. Периодические автоколебания. Предельные циклы на фазовой плоскости. Зависимость формы автоколебаний от параметров системы. Релаксационные автоколебания. "Быстрые" и "медленные" движения. Качественные исследования разрывных колебаний. Модель релаксационного генератора.

5.3. Фазовые портреты равновесных диссипативных систем. Грубость динамической системы. Законы совместного существования особых точек. Основные бифуркации на плоскости. Индексы Пуанкаре. Обобщенная электронная схема с нелинейным элементом. Криотронные схемы. Триггерные ячейки памяти. Колебания в сверхпроводящих соленоидах.

6. Метод точечных преобразований.

Метод точечных преобразований при исследовании автоколебательных систем. Криотронный генератор. Гармонический осциллятор с нелинейным затуханием.

7. Применение качественных методов к исследованию неавтономных систем.

Синхронная многолистная фазовая плоскость. Субгармонические колебания в ферромагнитной пленке. Параметрическая неустойчивость. Бетатронные колебания в ускорителях с жесткой фокусировкой. Принцип автофазировки и синхротронные колебания в электронных ускорителях и накопителях.

8. Стохастическая динамика простых систем.

Точечные отображения. Бифуркация периодических движений. Гомоклинические структуры. Случайность в динамической системе. Стохастическая динамика одномерных отображений. Генератор шума, его статистическое описание. Пути возникновения странных аттракторов.

Литература

1. Мандельштам по колебаниям. М.: Наука, 1972.

2. , Хайкин колебаний. М.: Наука, 1964.

3. Стрелков в теорию колебаний. М.: Наука, 1964.

4. , Митропольский методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974.

5. Фомель теории нелинейных колебаний. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1970.

6. Гольдин ускорителей. М.: Наука, 1983.

7. , Трубецков в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.

Нелинейные эффекты могут проявиться многими разнообразными способами. Классический пример - это нелинейная пружина, в которой восстанавливающая сила нелинейно зависит от растяжения. В случае симметричной нелинейности (одинаковый отклик при сжатии и растяжении) уравнение движения принимает вид

Если затухание отсутствует и имеются периодические решения, в которых при естественная частота увеличивается с амплитудой.

Рис. 1.7. Классическая резонансная кривая нелинейного осциллятора с жесткой пружиной в случае, когда колебания периодичны и имеют тот же период, что и вынуждающая сила (а и определяются в уравнении (1.2.4)).

Эта модель часто называется уравнением Дуффинга по имени изучавшего ее математика.

Если на систему воздействует периодическая сила, то в классической теории полагают, что и отклик будет периодическим. Резонанс нелинейной пружины при частоте отклика, совпадающей с частотой силы, показан на рис. 1.7. Как показано на этом рисунке, при постоянной амплитуде вынуждающей силы существует диапазон вынуждающих частот, в котором возможны три различных значения амплитуды отклика. Можно показать, что штриховая линия на рис. 1.7 неустойчива, и при росте и уменьшении частоты происходит гистерезис. Это явление называется перебросом, и оно наблюдается в экспериментах со многими механическими и электрическими системами.

Существуют и другие периодические решения, такие, как субгармонические и супергармонические колебания. Если вынуждающая сила имеет вид , то субгармонические колебания могут иметь вид плюс более высокие гармоники ( - целое число). Как мы увидим ниже, субгармоники играют важную роль в предхаотических колебаниях.

Теория нелинейного резонанса зиждется на предположении, что периодическое воздействие вызывает периодический отклик. Однако именно этот постулат оспаривает новая теория хаотических колебаний.

Самовозбуждающиеся колебания - другой важный класс нелинейных явлений. Это колебательные движения, которые происходят в системах без периодических внешних воздействий или периодических сил. На рис. 1.8 показаны несколько примеров.

Рис. 1.8. Примеры самовозбуждакяцихся колебаний: а - сухое трение между массой и движущимся ремием; б - аэроупругие силы, действующие на тонкое крыло; в - отрицательное сопротивление в цепи с активным элементом.

В первом примере к колебаниям приводит трение, создаваемое относительным движением массы и движущегося ремня. Второй пример иллюстрирует целый класс аэроупругих колебаний, при которых стационарные колебания вызывает стационарный поток жидкости за твердым телом на упругой подвеске. В классическом примере из области электричества, показанном на рис. 1.9 и исследованном Ван дер Полем, в цепь включена электронная лампа.

Во всех этих примерах в системе присутствуют стационарный источник энергии и источник диссипации, или нелинейный демпфирующий механизм. В случае осциллятора Ван дер Поля источником энергии является постоянное напряжение.

Рис. 1.9. Схема цепи с вакуумной лампой, в которой происходят колебания на предельном цикле того же типа, который исследовал Ван дер Поль.

В математическую модель этой цепи источник энергии входит в виде отрицательного сопротивления:

Энергия может поступать в систему при малых амплитудах, но при увеличении амплитуды ее рост ограничивается нелинейным затуханием.

В случае маятника Фруда (см., например, ), подвод энергии осуществляется стационарным вращением оси. При малых колебаниях нелинейное трение играет роль отрицательного затухания; между тем при сильных колебаниях амплитуда колебаний ограничивается нелинейным членом

Колебательные движения таких систем часто называются предельными циклами. На рис. 1.10 показаны траектории осциллятора Ван дер Поля на фазовой плоскости. Малые колебания раскручиваются по спирали, приближаясь к замкнутой асимптотической траектории, а движения большой амплитуды стягиваются по спирали к тому же предельному циклу (см. рис. 1.10 и 1.11, где ).

При изучении подобных проблем часто возникают два вопроса. Какова амплитуда и частота колебаний на предельном цикле? При каких значениях параметров существуют устойчивые предельные циклы?

Рис. 1.10. Решение с предельным циклом для осциллятора Ван дер Поля, изображенное на фазовой плоскости.

Рис. 1.11. Релаксационные колебания осциллятора Ван дер Поля.

В случае уравнения Ван дер Поля удобно нормировать пространственную переменную на , а время - на так что уравнение принимает вид

где . При малых предельный цикл представляет собой окружность радиуса 2 на фазовой плоскости, т. е.

где через обозначены гармоники третьего и более высоких порядков. При больших движение приобретает вид релаксационных колебаний, показанных на рис. 1.11, с безразмерным периодом около 1.61 при

Более сложна задача с периодической силой в системе Ван дер Поля:

Поскольку эта система нелинейна, неприменим принцип суперпозиции свободных и вынужденных колебаний. Вместо этого возникающее периодическое движение захватывается на вынуждающей частоте, когда последняя близка к частоте предельного цикла. При слабом внешнем воздействии имеются три периодических решения, но лишь одно из них устойчиво (рис. 1.12). При больших значениях амплитуды силы существует только одно решение. В любом случае с увеличением расстройки - при фиксированном захваченное периодическое решение оказывается неустойчивым и становятся возможными другие типы движения.

Рис. 1.12. Амплитудные кривые для вынужденного движения осциллятора Ван дер Поля (1.2.9).

При больших отличиях вынуждающей и собственной частот в системе Ван дер Поля появляется новое явление - комбинационные колебания, иногда называемые почти периодическими или квазипериодическими решениями. Комбинационные колебания имеют вид

Когда частоты и несоизмеримы, т. е. - иррациональное число, решение называется квазипериодическим. Для уравнения Ван дер Поля , где - частота предельного цикла свободных колебаний (см., например, ).

Далеко не при всяких колебаниях возвращающая сила пропорциональна отклонению (т. е. меняется по закону (- кх)). Рассмотрим, например, рессору, изображенную на рисунке 2.74. Она состоит из нескольких пластин. При небольших деформациях изгибаются только длинные пластины. При больших нагрузках изгибу подвергаются и более короткие (и более жесткие) пластины. Возвращающую силу теперь можно описать так:

бательный режим переходит в апериодический, когда колебания исчезают и тело просто медленно приближается к положению равновесия (рис. 2.72, б, в).

Введите вместо строки, где ставятся точки (t,x), строку, где будут ставиться точки (x,v ), и получите фазовые портреты затухающих колебаний при разном трении. Можно воспользоваться и одной из готовых программ Phaspdem* или Phport * из имеющихся в пакете ПАКПРО. Должны получаться диаграммы типа изображенных на рисунке 2.73.

Чтобы она была возвращающей, т. е. F и х всегда имели разные знаки, ее следует разложить в ряд по нечетным степеням х. Поскольку потенциальная энергия U связана с силой формулой F = - dU/dx , это означает, что

т. е. колебания происходят в потенциальной яме со стенками, более крутыми, чем у параболы (рис. 2.75, а). Трение пластин друг о друга обеспечивает затухание, необходимое для демпфирования колебаний.

Возможны колебания и в асимметричной яме, когда

(рис. 2.75, б). Возвращающая сила при этом будет равна

При решении задач на нелинейные колебания неизбежно использование компьютера, так как аналитических решений не существует. На компьютере же решение совсем не сложно. Нужно только в строке, где производится наращивание скорости (v = v + F At/m), полностью написать выражение для F, например -кх- гх 2 - рх 3 .

Пример. Программа для вычерчивания графика нелинейных колебаний приведена в пакете ПАКПРО под именем Nlkol. Запустите ее в работу. Должна получиться серия кривых для разных начальных отклонений. При х 0 большем некоторого значения колеблющаяся частица покидает потенциальную яму, преодолев потенциальный барьер.

Испытайте также работу программ Nlcol* и Nlosc.*, имеющихся в пакете ПАКПРО, а также программы, с помощью которых можно получить фазовые портреты нелинейных колебаний: Phaspnl.*, Phportnl*.

Отметим, что, строго говоря, почти любые колебания являются нелинейными. Только при малых амплитудах их можно считать линейными (пренебрегать членами с х 2 , х 3 и т. д. в формулах типа (2.117)).

Пусть на осциллятор, кроме возвращающей силы, обеспечивающей собственные колебания с частотой С0о, действует еще внешняя сила, причем меняющаяся периодически с частотой со, равной или не равной (Оо. Эта сила будет раскачивать тело с частотой со. Возникающие при этом колебания называются вынужденными.

Уравнение движения в этом случае будет таким:

Вначале происходит процесс установления колебаний. От первого толчка тело начинает колебаться с собственной частотой со 0 . Потом постепенно собственные колебания затухают, и вынуждающая сила начинает управлять процессом. Устанавливаются вынужденные колебания уже не с частотой (Оо, а с частотой вынуждающей силы со. Переходный процесс очень сложен, аналитического решения не существует. При решении задачи численным методом программа будет ничуть не сложнее, чем, скажем, программа для затухающих колебаний. Нужно только в строке, где в соответствии с уравнением движения производится наращивание скорости, добавить вынуждающую силу в виде FobiH = Focos(cot).

Пример. В пакете ПАКГ1РО дан пример программы для получения графика вынужденных колебаний на экране компьютера. См. также программы Ustvcol.pas и UstvcoW.pas. Получающийся график х(?) и фазовая диаграмма v(x) показаны на рисунке 2.76. При удачном подборе параметров хорошо видно, как постепенно устанавливаются вынужденные колебания. Установление вынужденных колебаний интересно наблюдать также на фазовой диаграмме (программа Phpforc.pas).

Когда колебания с частотой со уже установились, можно найти решение уравнения (2.118) в виде

Здесь Жо - амплитуда установившихся колебаний. Если подставить (2.119) в (2.118), найдя предварительно производные по времени х" и х" и учитывая, что к = соо 2 тп, то оказывается, что (2.119) будет решением уравнения (2.118) при условии, что

Трение не учитывалось, коэффициент а полагался равным нулю. Видно, что амплитуда колебаний резко возрастает при приближении со к Сйо (рис. 2.77). Это явление носит название резонанса.

Если бы трения действительно не было, амплитуда при со = (Оо была бы бесконечно большой. Реально так не бывает. На том же рисунке 2.77 показано, как с увеличением трения меняется резонансная кривая. Но все же при совпадении со и соо амплитуда может стать в десятки и сотни раз больше, чем при со Ф СОо. В технике это явление опасно, так как вынуждающие колебания двигателя могут попасть в резонанс с собственной частотой каких-либо частей машины, и она может разрушиться.

Нелинейные эффекты могут проявиться многими разнообразными способами. Классический пример – это нелинейная пружина, в которой восстанавливающая сила нелинейно зависит от растяжения. В случае симметричной нелинейности (одинаковый отклик при сжатии и растяжении) уравнение движения принимает вид

Если затухание отсутствует и , имеются периодические решения, в которых при естественная частота увеличивается с амплитудой. Эта модель часто называется уравнением Дуффинга по имени изучавшего ее математика (рисунок 1.54).

Рисунок 1.54 - Классическая резонансная кривая нелинейного осциллятора с жесткой пружиной в случае, когда колебания периодичны и имеют тот же период, что и вынуждающая сила (a и b определяются в уравнении)

При постоянной амплитуде вынуждающей силы существует диапазон вынуждающих частот, в котором возможны три различных значения амплитуды отклика. Можно показать, что штриховая линия неустойчива, и при росте и уменьшении частоты происходит гистерезис. Это явление называется перебросом, и оно наблюдается в экспериментах со многими механическими и электрическими системами.

Существуют и другие периодические решения, такие, как субгармонические и супергармонические колебания.

Если вынуждающая сила имеет вид , то субгармонические колебания могут иметь вид плюс более высокие гармоники ( –целое число).

Самовозбуждающиеся колебания – другой важный класс нелинейных явлений. Это колебательные движения, которые происходят в системах без периодических внешних воздействий или периодических сил (рисунок 1.55).

Рисунок 1.55 - Примеры самовозбуждающихся колебаний: а – сухое трение между массой и движущимся ремнем;

б – аэроупругие силы, действующие на тонкое крыло

В первом примере к колебаниям приводит трение, создаваемое относительным движением массы и движущегося ремня.

Второй пример иллюстрирует целый класс аэроупругих колебаний, при которых, стационарные колебания вызывает стационарный поток жидкости за твердым телом на упругой подвеске.

В этих примерах в системе присутствуют стационарный источник энергии и источник диссипации, или нелинейный демпфирующий механизм. В математическую модель этой цепи источник энергии входит в виде отрицательного сопротивления (уравнение Ван дер Поля):

При анализе уравнения Ван дер Поля, удобно перейти к безразмерным переменным, нормировав пространственную переменную на , а время – на , так что уравнение принимает вид

При решении уравнения его представляют в виде ситемы уравнений первого порядка

Колебательные движения таких систем часто называются предельными циклами. На рисунке 1.56 показаны траектории осциллятора Ван дер Поля на фазовой плоскости. Малые колебания раскручиваются по спирали, приближаясь к замкнутой асимптотической траектории, а движения большой амплитуды стягиваются по спирали к тому же предельному циклу (где ).

Рисунок 1.56 - Решение с предельным циклом для осциллятора Ван дер Поля, изображенное на фазовой плоскости

При малых , предельный цикл представляет собой окружность радиуса 2 на фазовой плоскости, т. е. , где через + ... обозначены гармоники третьего и более высоких порядков.

При больших движение приобретает вид релаксационных колебаний, показанных на рисунке 1.57 с безразмерным периодом около 1.61 при .

Рисунок 1.57 Релаксационные колебания осциллятора Ван дер Поля

Более сложна задача с периодической силой в системе Ван дер Поля:

Поскольку система нелинейная, неприменим принцип суперпозиции свободных и вынужденных колебаний. Вместо этого возникающее периодическое движение захватывается на вынуждающей частоте, когда она близка к частоте предельного цикла.

При слабом внешнем воздействии имеются три периодических решения, но лишь одно из них устойчиво (см. рисунок). При больших значениях амплитуды силы существует только одно решение. В любом случае с увеличением расстройки фиксированном захваченное периодическое решение оказывается неустойчивым и становятся возможными другие типы движения.

При больших отличиях вынуждающей и собственной частот в системе Ван дер Поля появляется новое явление – комбинационные колебания, иногда называемые почти периодическими или квазипериодическими решениями, вида

Когда частоты и несоизмеримы, т. е. – иррациональное число, решение называется квазипериодическим. Для уравнения Ван дер Поля , где – частота предельного цикла свободных колебаний (рисунок 1.58).

Рисунок 1.58 - Амплитудные кривые для вынужденного

движения осциллятора Ван дер Поля

Ниже мы еще поговорим о квазипериодических колебаниях, но, поскольку они не периодичны, их можно спутать с хаотическими решениями, каковыми они не являются. (Для них спектр Фурье решения состоит из двух пиков при , )

Когда , и несоизмеримы, фазовый портрет решения представляет собой незамкнутую траекторию, и для графического представления квазипериодических функций используется другой способ.

Делается стробоскопическая выборка с интервалом ; положим и обозначим , .

Тогда соотношение сводится к

Литература

Выбор редакции