Як коливання фізичного маятника
Фізичний маятник – це будь-яке тіло, що підвішене у точці, яка не співпадає з центром його маси, та має можливість здійснювати коливання навколо цієї точки.
Розглянемо таке тіло, яке підвішене в точці та відхилене від положення рівноваги на кут (рис. 6.1). В цьому випадку сила тяжіння , яка прикладена до центру маси тіла (точка ), створює момент сили відносно точки підвішування
. (6.1)
Цей момент намагається повернути тіло навколо точки підвішування до положення рівноваги (у протилежну сторону від відхилення). Таким чином, основне рівняння обертального руху може бути записано у вигляді
, (6.2)
де – момент інерції тіла відносно точки підвішування.
Отримали нелінійне диференціальне рівняння, розв’язок якого є окремою математичною задачею. Проте для малих кутів відхилення рівняння (6.2) стає лінійним і зводиться до відомого рівняння гармонічних коливань
, (6.3)
в якому
, (6.4)
- частота коливань, з якою зв’язаний період коливань
. (6.5)
В останній формулі
(6.6)
– так звана зведена довжина фізичного маятника. Остання дорівнює довжині математичного маятника з тим самим періодом коливань.
Таким чином, щоб знайти період (чи частоту) малих коливань фізичного маятника, треба знати масу тіла , відстань між точкою підвішування та центром маси тіла і момент інерції тіла відносно точки закріплення.
Розглянемо коливання судна, як коливання фізичного маятника. Як зазначено в попередньому параграфі судно можна нахиляти як в поперечній, так і в продольній площинах (рис.5.1 та 5.2), тому існує 2 головних метацентра: поперечний (який відіграє основну роль в бортових коливаннях судна) та поздовжній метацентр (який відіграє основну роль в кільових коливаннях судна).
Тоді, наприклад, для бортових коливань судна малої амплітуду маємо наступне рівняння
, (4.1)
де – - моменти інерції судна відносно поздовжньої осі, що проходять через його центр ваги та – висота поперечного метацентра над центром ваги (рис.5.1). Розв’язок цього рівняння має вид:
, (4.2)
де частота коливань
, (4.3)
або період бортових коливань
, (4.4)
Формула, аналогічна до (4.1), буде і для кільових коливань, лише з заміною моменту інерції на – момент інерції судна відносно поперечної осі, що проходять через його центр ваги, та висоти поперечного метацентру на - висоту поздовжнього метацентру над центром ваги (рис.5.2). Тому для кільових коливань судна отримуємо наступне рівняння:
(4.5)
Звідки для періоду кільових коливань судна маємо
. (4.6)
Звернемо увагу, що на практиці визначають період власних бортових коливань судна на тихій воді шляхом запису загасаючих коливань. Знаючи період цих коливань , розраховують метацентричну висоту за допомогою “капітанської” формули:
, (4.7)
де та – розмірні коефіцієнти, - ширина судна, - розподіл ваги відносно вертикальної площини симетрії. Отже величина залежить від розподілу ваги по судну, чим більше вантажів біля центру, тим менше значення , а якщо вантажі біля бортів, то 1.
Зауважимо, що ця емпірична „капітанська” формула є наслідком отриманого виразу для періоду бортових коливань (4.3). З цієї формули отримуємо:
(4.8)
Оскільки момент інерції судна відносно поздовжньої осі, що проходять через його центр ваги, пропорціональний вазі судна та квадрата його поперечного розміру, тобто
, (4.9)
тоді з рівняння (4.6) отримуємо:
(4.10)
що співпадає з „капітанською” формулою (4.5) та дозволяє з’ясувати значення коефіцієнта .
Якщо врахувати силу опору лінійну по кутовій швидкості, то отримаємо наступне диференціальне рівняння бортових коливань:
, (4.11)
розв’язок якого має вид:
, (4.12)
тут , , а визначається формулою (4.3). Отже, сили опору зумовлюють загасання коливань та викликають зменшення частоти коливань.
В реальній ситуації хитавицю судна викликає дія хвиль, які змінюються за гармонічним законом:
, (4.13)
Що викликає діє моменту сили, що змінюється за таким самим законом
. (4.14)
Тоді в наближенні, що ширина судна значно менша, ніж довжина хвилі отримуємо:
(4.15)
Розв’язок цього рівняння для бортових вимушених коливань дає відомий результат
(4.16)
- коли кожному значенню відповідає певне значення амплітуди вимушених лінійних коливань, яка залежить від частоти
, (4.17)
а графік залежності амплітуди вимущених коливань від частоти збуджуючої сили зображений на рис.6.2.