Normal moda

Dinamik sistemaning normal modasi – bu sistemaning barcha qismlari sinusoidal ravishda bir xil chastotada va belgilangan faza bogʻlanishi bilan harakatlanadigan harakatlanish shaklidir. Normal modalar yordamida tushuntiriladigan erkin harakat belgilangan chastotalarda sodir boʻladi. Tizimning normal modalarining ushbu belgilangan chastotalari uning tabiiy chastotalari yoki rezonans chastotalari deb nomlanadi. Bino, koʻprik yoki molekula kabi fizik ob’ektning tuzilishi, materiallari va chegaraviy shartlariga bogʻliq boʻlgan tabiiy chastotalari va ularning normal modalar toʻplami mavjud.

Chiziqli sistemaning eng umumiy harakati uning normal rejimlarining superpozitsiyasidir. Modalar mustaqil harakatlana olgani uchun normaldir, yaʼni bitta rejimning qoʻzgʻalishi hech qachon boshqa modaning harakatiga sabab boʻlmaydi. Matematik nuqtai nazardan normal rejimlar bir-biriga perpendikulyardir.

Aylana diskning bitta normal modasining tebranishi, butun tashqi qirrasi boʻylab mahkamlangan chegara sharti bilan. Boshqa modalarni koʻring .

Oddiy rejimlarda tebranayotgan bir piyola qora qahvaning flesh surati

Leidenfrost effekti paytida bir tomchi suvda normal modalarning qoʻzgʻalishi

Umumiy tavsiflar

Moda

Fizika va muhandislikning toʻlqin nazariyasida dinamik tizimdagi moda qoʻzgʻalishning turgʻun toʻlqin holati boʻlib, unda tizimning barcha tarkibiy qismlari ushbu moda bilan bogʻliq boʻlgan belgilangan chastotada sinusoidal tarzda taʼsir qiladi.

Hech qaysi real sistema turgʻun toʻlqinga toʻliq mos kelmasligi sababli, moda tushunchasi tebranishning oʻziga xos holatlarining umumiy tavsifi sifatida qabul qilinadi, shuning uchun dinamik tizimni chiziqli rejimda koʻrib chiqadi, bunda holatlarning chiziqli superpozitsiyasini amalga oshirish mumkin.

Mexanik sistemalarda

Bogʻlangan osillyatorlar

Ikki teng jismni (gravitatsiya taʼsirida boʻlmagan) koʻraylik, har birining massasi m, uchta prujinaga bogʻlangan, har birining bikrligi k . Ular fizik jihatdan simmetrik sistema tashkil etib, quyidagi tarzda tuziladi:

chekkadagi nuqtalar qotirilgan va harakatlana olmaydi. Chapdagi massaning gorizontal koʻchishini belgilash uchun x ₁ (t) va oʻng massaning koʻchishini belgilash uchun x ₂ (t) dan foydalanamiz.

Agar tezlanishni (vaqtga nisbatan x (t) ning ikkinchi hosilasi) $\scriptstyle {\ddot {x}}$ deb belgilasak, harakat tenglamalari :

${\begin{aligned}m{\ddot {x}}_{1}&=-kx_{1} k(x_{2}-x_{1})=-2kx_{1} kx_{2}\\m{\ddot {x}}_{2}&=-kx_{2} k(x_{1}-x_{2})=-2kx_{2} kx_{1}\end{aligned}}$

Normal modaning tebranma harakatini kutganimiz uchun (bu yerda ω ikkala massa uchun bir xil), biz quyidagini ishlatib koʻramiz:

${\begin{aligned}x_{1}(t)&=A_{1}e^{i\omega t}\\x_{2}(t)&=A_{2}e^{i\omega t}\end{aligned}}$

${\begin{aligned}-\omega ^{2}mA_{1}e^{i\omega t}&=-2kA_{1}e^{i\omega t} kA_{2}e^{i\omega t}\\-\omega ^{2}mA_{2}e^{i\omega t}&=kA_{1}e^{i\omega t}-2kA_{2}e^{i\omega t}\end{aligned}}$

Eksponensial barcha joyda uchragani uchun biz uni qisqartiramiz va soddalashtiramiz:

${\begin{aligned}(\omega ^{2}m-2k)A_{1} kA_{2}&=0\\kA_{1} (\omega ^{2}m-2k)A_{2}&=0\end{aligned}}$

Va matritsa koʻrinishida:

${\begin{bmatrix}\omega ^{2}m-2k&k\\k&\omega ^{2}m-2k\end{bmatrix}}{\begin{pmatrix}A_{1}\\A_{2}\end{pmatrix}}=0$

Agar chapdagi matritsa teskari qilish mumkin matritsa boʻlsa, yagona yechim trivial yechimi (A ₁ , A ₂) = (x ₁ , x ₂) = (0,0). Trivial boʻlmagan yechimlari ω ning chapdagi matritsa singulyar boʻlgan qiymatlari uchun topiladi . Bundan kelib chiqadiki, matritsaning determinanti 0 ga teng boʻlishi kerak, shuning uchun:

$(\omega ^{2}m-2k)^{2}-k^{2}=0$

$\omega$ uchun yechsak, bizda ikkita musbat yechim bor:

${\begin{aligned}\omega _{1}&={\sqrt {\frac {k}{m}}}\\\omega _{2}&={\sqrt {\frac {3k}{m}}}\end{aligned}}$

Agar matritsaga ω₁ ni qoʻysak va (A ₁ , A ₂) uchun yechsak biz (1, 1) ni olamiz. Agar ω₂ ni oʻrniga qoʻysak, biz (1, −1) niolamiz. (Bu vektorlar xos vektorlar, chastotalar esa xos qiymatlardir .)

Birinchi normal moda:

${\vec {\eta }}_{1}={\begin{pmatrix}x_{1}^{1}(t)\\x_{2}^{1}(t)\end{pmatrix}}=c_{1}{\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}}\cos {(\omega _{1}t \varphi _{1})}$

Bu ikkala massaning bir vaqtda bir xil yoʻnalishda harakatlanadi degani. Ushbu moda antisimmetrik deb ataladi.

Ikkinchi normal moda:

${\vec {\eta }}_{2}={\begin{pmatrix}x_{1}^{2}(t)\\x_{2}^{2}(t)\end{pmatrix}}=c_{2}{\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}}\cos {(\omega _{2}t \varphi _{2})}$

Bu qarama-qarshi yoʻnalishda harakatlanadigan massalarga mos keladi, massa markazi harakatsiz qoladi. Ushbu rejim simmetrik hisoblanadi.

Umumiy yechim normal modalarning superpozitsiyasi boʻlib, bunda c ₁, c ₂, φ₁ va φ₂, masalaning boshlangʻich shartlari bilan aniqlanadi.

Bu jarayonni Lagranj mexanikasi yoki Gamilton mexanikasi formalizmi yordamida umumiylashtirish va shakllantirish mumkin.

Turgʻun toʻlqinlar

Turgʻun toʻlqin normal modaning davomiy shaklidir. Turgʻun toʻlqinda barcha fazo elementlari (yaʼni (x , y , z) koordinatalar) bir xil chastotada va fazada (muvozanat nuqtasiga birga yetib boradi) tebranadi, lekin hammasi har xil amplitudaga ega.

Turgʻun toʻlqinning umumiy formasi:

$\Psi (t)=f(x,y,z)(A\cos(\omega t) B\sin(\omega t))$

bu yerda ƒ (x , y , z) amplitudaning joylashuvga bogʻliqligini, kosinus\sinus esa vaqtga bogʻliq tebranishlarni ifodalaydi.

Fizik jihatdan turgʻun toʻlqinlar toʻlqinlarning interferensiyasi (superpozitsiyasi) va ularning qaytishi natijasida hosil boʻladi (lekin buni teskari aytish ham toʻgʻri boʻladi; harakatlanuvchi toʻlqin turuvchi toʻlqinlarning superpozitsiyasidir). Muhitning geometrik shakli interferensiya manzarasini aniqlaydi, shuning uchun ƒ (x, y , z) turgʻun toʻlqinning shakli. Bu fazoga bogʻliqlik normal moda deb ataladi.

Kvant nazariyasiga koʻra, xarakteristik chastotasi nyu boʻlgan kristall qattiq jismning normal tebranish modasining oʻrtacha energiyasi:

$E(\nu )={\frac {1}{2}}h\nu {\frac {h\nu }{e^{h\nu /kT}-1}}$

(1/2)hv hadi absolyut noldagi osilyator energiyasini ifodalaydi. E(v) yuqori haroratlarda klassik qiymat kT ga intiladi.

$E(\nu )=kT\left[1 {\frac {1}{12}}\left({\frac {h\nu }{kT}}\right)^{2} O\left({\frac {h\nu }{kT}}\right)^{4} \cdots \right]$

Termodinamik formulani bilgan holda,

$\left({\frac {\partial S}{\partial E}}\right)_{N,V}={\frac {1}{T}}$

Birlik normal moda entropiyasi:

${\begin{aligned}S\left(\nu \right)&=\int _{0}^{T}{\frac {d}{dT}}E\left(\nu \right){\frac {dT}{T}}\\[10pt]&={\frac {E\left(\nu \right)}{T}}-k\log \left(1-e^{-{\frac {h\nu }{kT}}}\right)\end{aligned}}$

Erkin energiya bu:

$F(\nu )=kT\log \left({\frac {h\nu }{kT}}\right)$

kT >> hn holatda quyidagilarga intiladi:

Ichki energiya va solishtirma issiqlikni hisoblash uchun biz v va v dv qiymatlari orasidagi chastotaning normal tebranish modalari sonini bilishimiz kerak. Shu raqamni f(v)dv qilib olaylik. Normal modalarning umumiy soni 3N ga teng boʻlgani uchun f (v) funksiyasi quyidagicha ifodalanadi:

Kvant mexanikasida

Kvant mexanikasida holat $\ |\psi \rangle$ sistema toʻlqin funktsiyasi $\ \psi (x,t)$(Shredinger tenglamasini yechadi) bilan tushuntiriladi. $\ \psi$ ning absolyut qiymatining kvadrati, yaʼni:

$\ P(x,t)=|\psi (x,t)|^{2}$

zarrani t vaqtda x joyda oʻlchash ehtimollik zichligidir.

Odatda, potentsial ishtirok etganda, toʻlqin funksiyasi energiyaning xos holatlarining superpozitsiyasiga parchalanadi, ularning har biri $\omega =E_{n}/\hbar$ chastota bilan tebranadi. Demak quyidagini yoza olamiz

$|\psi (t)\rangle =\sum _{n}|n\rangle \left\langle n|\psi (t=0)\right\rangle e^{-iE_{n}t/\hbar }$

Oʻxshash mavzular

• Antirezonans
• Kritik tezlik
• Garmonik osilator
• Garmonik seriya (musiqa)
• Infraqizil spektroskopiya
• Oqish rejimi
• Mexanik rezonans
• Modali analiz
• Moda (elektromagnitizm)
• Kvazinormal moda
• Shturm-Liuvil nazariyasi
• Burilish tebranishi
• Aylana membrananing tebranishlari

Manbalar

• Blevins, Robert D.. Formulas for natural frequency and mode shape, Reprint, Malabar, Florida: Krieger Pub., 2001. ISBN 978-1575241845. 
• Dynamics and Control of Distributed Systems. Tzou: . Cambridge [England]: Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0521033749. 
• Shearer, Peter M.. Introduction to seismology, 2nd, Cambridge: Cambridge University Press, 2009 — 231–237-bet. ISBN 9780521882101. 

Tashqi havolalar

• Normal modaar boʻyicha Garvard maʼruza matnlari