機械與電學振動
欠阻尼運動(underdamped motion)
這是受擾系統最熟悉的行為方式:它來回擺動,但每一次擺幅都比上一次小一點,直到淡去靜止。撥動後漸鳴的吉他弦、跳水後彈動的跳板、過坑後安定的汽車——全都是欠阻尼。阻尼是真實存在的,但溫和,所以系統仍會振盪,只是每個週期損失一點振幅。
欠阻尼意味著阻尼弱到 c^2 < 4 m k(等價於阻尼比 zeta < 1)。此時特徵方程有共軛複數根,解是一個衰減包絡乘上餘弦:x(t) = A e^(-(c/2m) t) cos(omega_d t - phi)。其中 e^(-(c/2m) t) 是縮小的包絡——一條向下緊貼各波峰的曲線——而 omega_d = omega_0 sqrt(1 - zeta^2) 是阻尼頻率,比無阻尼的 omega_0 略慢,因為阻力把運動稍微拖住了。
欠阻尼正是我們通常所說的「振動」,而且往往正是你想要的:音叉應該鳴響,鐘應該持續。但在過衝危險的場合它也是你必須避免的——一部停止前還振盪的電梯,或一根擺過讀數的量測指針。比自然頻率慢的 omega_d 是一個微妙但真實的效應:有阻尼的擺鐘比無摩擦的理想略走得慢。
x'' + 2 x' + 5 x = 0 的根是 -1 ± 2i,給出 x(t) = A e^(-t) cos(2t - phi):餘弦以 omega_d = 2 振鳴,而包絡 e^(-t) 把每個波峰拉向零。
運動以頻率 2 振盪,但其大小如 e^(-t) 般衰減。
阻尼頻率 omega_d 永遠小於自然頻率 omega_0,絕不會更大——加阻尼只會使振鳴變慢。輕阻尼時差異極小,這就是為什麼常以 omega_0 作為良好近似。
又稱
另見