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课程库 › Calculus 2 › S6 · 二阶微分方程 › 第 7 课

受迫振动与共振 —— 推秋千的数学,塌桥的物理

普通课约 50 分钟

本课导读

前两课的弹簧都在"自弹自唱"(齐次)。现在有人上手了:给系统施加一个周期性外力——推秋千的手、路面的起伏、风的脉动。方程变成非齐次,第 4 课的待定系数法重返战场。主角是全单元最有戏剧性的现象:共振(resonance)——当外力节拍恰好踩中系统的固有频率,振幅会持续放大。你在第 4 课埋下的"乘 xx 修正",本课兑现它的物理身份。预计 50 分钟。

说明

前置工具箱:第 4 课待定系数法(三角右端猜 Acos⁡+Bsin⁡A\cos + B\sin)与乘 xx 修正;第 5 课固有频率 ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m} 与振幅合并 A2+B2\sqrt{A^2 + B^2};第 4 课结构定理 y=yh+ypy = y_h + y_p。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 三角右端的待定系数(第 4 课):右端 Fcos⁡ωtF\cos\omega t ⟹ 猜 Acos⁡ωt+Bsin⁡ωtA\cos\omega t + B\sin\omega t(成对上);若猜想撞上齐次解 ⟹ 乘 tt。微例:x′′+4x=3cos⁡tx'' + 4x = 3\cos t,齐次解频率是 2、外力频率是 1,不撞,直接猜——例题 1 原式。⚠️ 翻车点:忘查撞车,或撞了不乘 tt。

② 固有频率(第 5 课):ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m},系统体质决定,与外界无关。微例:x′′+16x=0x'' + 16x = 0 的 ω0=4\omega_0 = 4——例题 2 的引信。⚠️ 翻车点:把方程里的 ω02\omega_0^2(系数)直接当成 ω0\omega_0 忘了开根号。

③ 振幅合并(第 5 课):Acos⁡ωt+Bsin⁡ωtA\cos\omega t + B\sin\omega t 的振幅为 A2+B2\sqrt{A^2 + B^2}。微例:2cos⁡t+4sin⁡t2\cos t + 4\sin t 振幅 20=25\sqrt{20} = 2\sqrt{5}——例题 3 原式。⚠️ 翻车点:把两系数直接相加当振幅。

建模:给弹簧接上外力

在 mx′′+cx′+kx=0mx'' + cx' + kx = 0 的受力清单里加一项周期外力 F(t)=F0cos⁡ωtF(t) = F_0\cos\omega t:

m x′′+c x′+k x=F0cos⁡ωtm\,x'' + c\,x' + k\,x = F_0\cos\omega t

受迫振动(forced vibration)方程——非齐次,常系数,右端是余弦:第 4 课点菜表的标准客户。开工前认清两个频率,全课的戏剧冲突都在它俩之间:

  • ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m}:固有频率,系统自己想怎么晃(体质)
  • ω\omega:驱动频率,外力强迫它怎么晃(指令)

按第 4 课结构定理,解 = 齐次通解(系统的"自由发挥")+ 特解(外力的"强制节目")。

无阻尼受迫:ω ≠ ω₀,相安无事

先关掉阻尼(c=0c = 0)看清主线:x′′+ω02x=F0mcos⁡ωtx'' + \omega_0^2 x = \dfrac{F_0}{m}\cos\omega t。

驱动频率不撞固有频率(ω≠ω0\omega \neq \omega_0)时,cos⁡ωt\cos\omega t 不是齐次解(齐次解的频率是 ω0\omega_0),普通猜想畅通无阻:猜 xp=Acos⁡ωtx_p = A\cos\omega t(🔧 工具箱 ①;本方程无 x′x' 项,sin 分量会自动为零,动笔时带上 BB 也无妨)。代入:

−ω2Acos⁡ωt+ω02Acos⁡ωt=F0mcos⁡ωt⇒xp=F0m(ω02−ω2)cos⁡ωt-\omega^2 A\cos\omega t + \omega_0^2 A\cos\omega t = \frac{F_0}{m}\cos\omega t \quad\Rightarrow\quad x_p = \frac{F_0}{m\left(\omega_0^2 - \omega^2\right)}\cos\omega t

系统被迫按外力的频率 ω\omega 摆动,振幅是常数——相安无事。但盯住分母 ω02−ω2\omega_0^2 - \omega^2:驱动频率越接近固有频率,分母越小,被迫振幅越大。ω→ω0\omega \to \omega_0 时振幅冲向无穷——预警拉响。

例题 1 · 不撞频的受迫振动

求 x′′+4x=3cos⁡tx'' + 4x = 3\cos t 的通解。

解法展开

ω0=2\omega_0 = 2,ω=1\omega = 1,不撞。齐次骨架 xh=c1cos⁡2t+c2sin⁡2tx_h = c_1\cos 2t + c_2\sin 2t。特解按公式(或现场猜 Acos⁡tA\cos t):A(−1+4)=3⇒A=1A(-1 + 4) = 3 \Rightarrow A = 1:

x=c1cos⁡2t+c2sin⁡2t⏟自由振动 ω0=2+cos⁡t⏟被迫节目 ω=1x = \underbrace{c_1\cos 2t + c_2\sin 2t}_{\text{自由振动 } \omega_0 = 2} + \underbrace{\cos t}_{\text{被迫节目 } \omega = 1}

两种频率的叠加:系统一边按自己的节拍晃、一边按外力的节拍晃,轨迹是两支"音叉"的合唱。

提示

拍(beats):当 ω\omega 接近但不等于 ω0\omega_0,两支频率相近的振荡叠加会产生"忽强忽弱"的包络——音乐人调琴时听到的"嗡……嗡……"就是拍。它是共振的前奏:两个节拍近到分不清、又没完全对上。定量展开需要积化和差公式,本课只认画面,不展开。

纯共振:ω = ω₀,乘 t 的时刻到了

外力节拍精确踩中固有频率:x′′+ω02x=F0mcos⁡ω0tx'' + \omega_0^2 x = \dfrac{F_0}{m}\cos\omega_0 t。

现在右端 cos⁡ω0t\cos\omega_0 t 正是齐次解——第 4 课的失灵判据触发,猜想必须乘 tt:xp=t(Acos⁡ω0t+Bsin⁡ω0t)x_p = t(A\cos\omega_0 t + B\sin\omega_0 t)。代入化简(细节收在折叠里),结果:

xp=F02mω0  t sin⁡ω0tx_p = \frac{F_0}{2m\omega_0}\; t\,\sin\omega_0 t
🔍 选看 · 验证这个特解

设 xp=F02mω0 tsin⁡ω0tx_p = \dfrac{F_0}{2m\omega_0}\,t\sin\omega_0 t。乘积法则两连发:

xp′=F02mω0(sin⁡ω0t+ω0tcos⁡ω0t),xp′′=F02mω0(2ω0cos⁡ω0t−ω02 tsin⁡ω0t)x_p' = \frac{F_0}{2m\omega_0}\left(\sin\omega_0 t + \omega_0 t\cos\omega_0 t\right), \qquad x_p'' = \frac{F_0}{2m\omega_0}\left(2\omega_0\cos\omega_0 t - \omega_0^2\, t\sin\omega_0 t\right)

代入左端:xp′′+ω02xp=F02mω0⋅2ω0cos⁡ω0t=F0mcos⁡ω0tx_p'' + \omega_0^2 x_p = \dfrac{F_0}{2m\omega_0} \cdot 2\omega_0\cos\omega_0 t = \dfrac{F_0}{m}\cos\omega_0 t ✅(tsin⁡t\sin 项恰好对消)。

读它的体格:sin⁡ω0t\sin\omega_0 t 是振荡,前面的 tt 是随时间线性放大的振幅——包络线是两条张开的直线 ±F02mω0t\pm\dfrac{F_0}{2m\omega_0}t。每一次推力都恰好赶在系统"顺势"的瞬间,能量只进不出,越晃越大,直到线性模型失效(弹簧拉断、桥面开裂——模型失效之处正是事故发生之时)。这就是纯共振(pure resonance)。

推秋千是你早就会的共振工程:想把孩子荡高,你自然会跟着秋千的节拍出手——按固有频率驱动;乱推一气(ω≠ω0\omega \neq \omega_0)只会互相抵消。

例题 2 · 踩中引信

求 x′′+16x=8cos⁡4tx'' + 16x = 8\cos 4t 的通解,并描述解的长期行为。

解法展开

ω0=4\omega_0 = 4(🔧 工具箱 ②),驱动频率也是 4——正面撞上,纯共振。公式(m=1,F0=8m = 1, F_0 = 8):

xp=82⋅4 tsin⁡4t=tsin⁡4tx_p = \frac{8}{2 \cdot 4}\,t\sin 4t = t\sin 4t

通解:

x=c1cos⁡4t+c2sin⁡4t+t sin⁡4tx = c_1\cos 4t + c_2\sin 4t + t\,\sin 4t

长期行为:无论初始条件如何,tsin⁡4tt\sin 4t 一项迟早压倒一切——振幅按 tt 线性放大,系统走向解体。第 4 课练习 3 里那个 16xsin⁡3x\tfrac{1}{6}x\sin 3x,现在你知道它当时就在演这出戏。

有阻尼受迫:稳态与实用共振

现实系统总有阻尼,剧情温和一些但更实用。mx′′+cx′+kx=F0cos⁡ωtmx'' + cx' + kx = F_0\cos\omega t(c>0c > 0)的解两部分:

x=xh⏟暂态:t→∞ 时→0+xp=R(ω)cos⁡(ωt−φ)⏟稳态:外力节拍的持续演出x = \underbrace{x_h}_{\text{暂态:} t \to \infty \text{ 时} \to 0} + \underbrace{x_p = R(\omega)\cos(\omega t - \varphi)}_{\text{稳态:外力节拍的持续演出}}

关键观察:只要 c>0c > 0,齐次解全带衰减外壳(上两课:欠/临界/过阻尼通通归零),所以 xhx_h 叫暂态(transient)——开机时的过渡晃动,迟早烧完;剩下的特解叫稳态(steady state)——系统最终锁定在驱动频率上摆动。初始条件只影响暂态,长期行为全由稳态说了算。

稳态振幅可以用待定系数法逐题算(例题 3 演示),也有一步到位的通用公式:

R(ω)=F0m2(ω02−ω2)2+c2ω2R(\omega) = \frac{F_0}{\sqrt{m^2\left(\omega_0^2 - \omega^2\right)^2 + c^2\omega^2}}

读分母:ω=ω0\omega = \omega_0 时第一项归零,但第二项 c2ω2c^2\omega^2 还在——阻尼兜底,振幅冲不到无穷。这就是实用共振(practical resonance):R(ω)R(\omega) 在 ω0\omega_0 附近爬上一个有限的峰;阻尼越小峰越尖越高,阻尼够大时峰甚至被抹平。工程含义一句话:共振毁不毁机器,看阻尼给不给兜底——这正是上一课那些阻尼器存在的终极理由。

例题 3 · 稳态振幅

求 x′′+2x′+2x=10cos⁡tx'' + 2x' + 2x = 10\cos t 的稳态解及其振幅。

解法展开

稳态 = 特解。猜 xp=Acos⁡t+Bsin⁡tx_p = A\cos t + B\sin t(有 x′x' 项,这回 sin 真的躲不掉),代入:

(−A+2B+2A)cos⁡t+(−B−2A+2B)sin⁡t=(A+2B)cos⁡t+(B−2A)sin⁡t≡10cos⁡t(-A + 2B + 2A)\cos t + (-B - 2A + 2B)\sin t = (A + 2B)\cos t + (B - 2A)\sin t \equiv 10\cos t

得 A+2B=10A + 2B = 10,B=2AB = 2A ⟹ A=2,B=4A = 2, B = 4:

xp=2cos⁡t+4sin⁡t,R=4+16=25≈4.47x_p = 2\cos t + 4\sin t, \qquad R = \sqrt{4 + 16} = 2\sqrt{5} \approx 4.47

(🔧 工具箱 ③。用通用公式验算:m=1,ω02=2,ω=1,c=2m = 1, \omega_0^2 = 2, \omega = 1, c = 2:R=10(2−1)2+4=105=25R = \dfrac{10}{\sqrt{(2-1)^2 + 4}} = \dfrac{10}{\sqrt{5}} = 2\sqrt{5} ✅。)齐次部分 r=−1±ir = -1 \pm i 是暂态,几秒内烧完;此后系统就以振幅 252\sqrt{5}、频率 1 稳定摆动。

共振的江湖轶事

  • 士兵过桥要便步走:齐步走的整齐步频若接近桥的固有频率,就是集体推秋千。1831 年英国 Broughton 吊桥在士兵齐步通过时垮塌,此后"过桥便步走"写进多国军规。
  • 伦敦千禧桥(2000):开放当天行人无意识同步脚步(桥晃 → 人调整步伐 → 晃得更凶的正反馈),侧向摆动到关闭整改——加装几十个阻尼器后重开,正是"加大 cc 压峰"的教科书操作。
  • 碎酒杯:歌手(或音响)按玻璃杯的固有频率持续输出,振幅积累到超过材料极限——纯共振的桌面演示。
  • 塔科马海峡大桥(1940):桥面扭摆数小时后解体的影像人尽皆知。诚实备注:现代分析认为主因是气动弹性颤振(风与结构的自激振荡),不是教科书意义的强迫共振——但它仍是"周期性能量注入 + 阻尼不足"的惨烈标本,值得和共振放在同一个抽屉。
  • 正面用途:微波炉(驱动水分子)、收音机调谐(电路共振选台)、核磁共振(名字里就写着)——踩中固有频率不只闯祸,也是精准输运能量的手段。

✍️ 练习

练习 1 · 不撞频

求 x′′+9x=5cos⁡2tx'' + 9x = 5\cos 2t 的一个特解。

✅ 参考答案

ω0=3≠2=ω\omega_0 = 3 \neq 2 = \omega,不撞。猜 Acos⁡2tA\cos 2t:A(−4+9)=5⇒A=1A(-4 + 9) = 5 \Rightarrow A = 1,xp=cos⁡2tx_p = \cos 2t。(公式验算:51⋅(9−4)=1\dfrac{5}{1 \cdot (9 - 4)} = 1 ✅。)

练习 2 · 找引信

系统 x′′+25x=F0cos⁡ωtx'' + 25x = F_0\cos\omega t。哪个驱动频率会引发纯共振?届时特解长什么样(取 F0=10F_0 = 10)?

✅ 参考答案

ω0=5\omega_0 = 5,共振当且仅当 ω=5\omega = 5。此时(m=1m = 1):

xp=102⋅5 tsin⁡5t=tsin⁡5tx_p = \frac{10}{2 \cdot 5}\,t\sin 5t = t\sin 5t

振幅包络 ±t\pm t,线性张开——别忘了 ω0\omega_0 是方程系数 25 的平方根(工具箱 ② 的翻车点)。

练习 3 · 稳态振幅

求 x′′+3x′+2x=20cos⁡tx'' + 3x' + 2x = 20\cos t 的稳态振幅。

✅ 参考答案

猜 Acos⁡t+Bsin⁡tA\cos t + B\sin t,代入归堆:(A+3B)cos⁡t+(B−3A)sin⁡t≡20cos⁡t(A + 3B)\cos t + (B - 3A)\sin t \equiv 20\cos t,得 B=3AB = 3A,A+9A=20⇒A=2,B=6A + 9A = 20 \Rightarrow A = 2, B = 6。稳态振幅:

R=4+36=210≈6.32R = \sqrt{4 + 36} = 2\sqrt{10} \approx 6.32

暂态部分(r=−1,−2r = -1, -2,过阻尼)几秒内退场,不参与长期演出。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 受迫振动问题里的两个频率,正确的区分是?

2. 纯共振(无阻尼、$\omega = \omega_0$)时特解的形状是?

3. 有阻尼受迫振动中,“暂态”和“稳态”分别指?

4. 有阻尼时驱动频率扫过 $\omega_0$ 附近,稳态振幅 $R(\omega)$ 会?

5. 千禧桥事故的整改方案是加装大量阻尼器,用本课语言解读就是?

本课小结

  • 受迫振动 mx′′+cx′+kx=F0cos⁡ωtmx'' + cx' + kx = F_0\cos\omega t:两个频率的戏——体质 ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m} vs 指令 ω\omega
  • 无阻尼不撞频:被迫按 ω\omega 摆,振幅 F0m(ω02−ω2)\dfrac{F_0}{m(\omega_0^2 - \omega^2)}——越接近 ω0\omega_0 越大(接近时出现"拍")
  • 纯共振(ω=ω0\omega = \omega_0):乘 tt 修正登场,xp=F02mω0tsin⁡ω0tx_p = \dfrac{F_0}{2m\omega_0}t\sin\omega_0 t,振幅线性放大直至模型失效——推秋千与塌桥是同一条数学
  • 有阻尼:解 = 暂态(齐次,烧完即止)+ 稳态(R(ω)cos⁡(ωt−φ)R(\omega)\cos(\omega t - \varphi));阻尼兜底使共振峰有限——实用共振,工程师用 cc 压峰
  • 共振是双刃剑:毁桥碎杯,也驱动微波炉、收音机与核磁共振

下一课是单元关卡:从特征方程到弹簧四命运再到共振,一张总表、三道综合大题、十连测验——把 S6 的全部手艺过一遍安检。

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讨论

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