線性常微分方程:高階與方程組
共振(resonance)
合著鞦韆的固有節奏去推它,一連串小小的推動便積累成一次大幅的擺盪;不合拍地推,你就在與它較勁。共振正是這種戲劇性的累積:當一個系統被以其固有頻率或附近的頻率驅動時,即使一個不大的週期力也會產生巨大的響應。這是全部振動理論中最具影響的事實之一。
在受迫振子 m x'' + c x' + k x = F_0 cos(omega t) 中,穩態幅值取決於驅動頻率 omega,並在 omega 接近固有頻率時達到峰值。在無阻尼時,恰好以固有頻率驅動會使標準的特解猜測失效(強迫本身就是齊次解),正確的解像 t 那樣增長——幅值無界增大。有阻尼時,幅值不會變成無窮,而是在共振頻率處升到一個有限而尖銳的極大;阻尼越輕,峰越高越窄。
共振是雙刃的。它是讓收音機選出某個電台、讓石英晶體計時、讓磁共振激發特定原子核、讓酒杯在恰當音高下破碎的原理。它也是機械把自身震散、士兵齊步過橋時橋樑失事所歸咎的禍首,以及塔科馬海峽大橋這則警世故事的主角(其垮塌更確切地說是氣動彈性顫振,而非簡單共振)。工程師要麼刻意命中共振、要麼徹底避開它來作設計。
無阻尼的 x'' + 4x = cos 2t 恰以固有頻率 2 驅動。特解不是有界的——它是 x_p = (t sin 2t)/4,其幅值隨時間線性增長:純共振。
以固有頻率驅動無阻尼振子,會產生像 t 那樣增長的幅值。
存在阻尼時,共振給出很大但有限的峰值,且極大出現在略低於無阻尼固有頻率之處,而非恰在其上——「無界」增長是零阻尼極限的理想化。
又稱
另見