引入

推秋千时,为什么按着节奏推最省力?

为什么洗衣机脱水时会剧烈抖动,转速再高反而稳了?

受迫振动达到稳定后,振动频率由什么决定?

自由振动一旦开始,频率就固定了。受迫振动不同:外界持续提供驱动力,系统最终会“跟着”驱动力的节奏走。这正是共振的前提。

正文

定义

受迫振动是物体在周期性外力(驱动力)作用下的振动。驱动力不断向系统输入能量,补偿阻尼消耗。

运动方程

在阻尼振动的基础上加上驱动力 :

其中 是驱动力的角频率, 是阻尼系数。

两个阶段

阶段特征
暂态过程自由振动与受迫振动叠加,振幅不稳定,很快衰减
稳态过程只保留与驱动力同频率的振动,振幅稳定

暂态持续时间取决于阻尼大小。阻尼越大,暂态越短,但稳态振幅越小。

稳态的关键结论

达到稳态后:

  1. 振动频率等于驱动力频率 ,不等于系统的固有频率 。
  2. 振幅由 、、阻尼和驱动力幅值共同决定。
  3. 位移与驱动力之间存在相位差,相位差也随 变化。

这解释了为什么“跟着节奏推”有效:驱动力频率与系统固有频率接近时,能量输入效率最高。

振幅与频率的关系

稳态振幅:

其中 为阻尼系数。

驱动频率振幅
接近静态位移
显著增大,出现峰值
趋于零,系统“跟不上”

峰值位置略低于固有频率,阻尼越大,峰越平缓、越低。峰值附近的剧烈响应就是共振。

与自由振动的对比

项目自由振动受迫振动
频率固有频率驱动力频率
能量守恒或衰减持续由外界输入
振幅由初始条件决定由驱动条件和阻尼决定
相位的意义初始位置与驱动力的滞后关系

引出

共振时振幅为什么会趋于无穷?实际系统中为什么不会真的无穷大?

阻尼大小如何影响共振峰的宽度和高度?

为什么士兵过桥要便步走,而不是齐步走?