EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Сложение перпендикулярных колебаний: уравнение эллипса

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#сложение колебаний#перпендикулярные колебания#фигуры лиссажу#уравнение траектории#разность фаз
Сложение перпендикулярных колебаний: уравнение эллипса

Когда точка одновременно участвует в двух гармонических колебаниях вдоль перпендикулярных осей xx и yy, её движение перестаёт описываться одной синусоидой и превращается в плоскую кривую. В отличие от сложения колебаний вдоль одной прямой, где амплитуды складываются или гасят друг друга, перпендикулярные колебания не мешают друг другу напрямую - вместо этого точка одновременно движется по двум независимым законам, и результатом становится траектория на плоскости. Ниже разберём общий вид этой траектории, выведем уравнение эллипса и угол его наклона при равных частотах, а затем посмотрим, что происходит, когда частоты относятся как целые числа и рождаются именные фигуры Лиссажу. Чтобы сразу увидеть, как амплитуды, частоты и фаза определяют форму кривой, покрутите калькулятор ниже - он строит траекторию мгновенно и параллельно рисует оба исходных колебания.

Общий вид траектории при сложении двух колебаний

Пусть точка одновременно колеблется вдоль оси xx и вдоль оси yy по гармоническим законам

x=Asin(aθ+φ),y=Bsin(bθ),x = A \sin(a\,\theta + \varphi), \qquad y = B \sin(b\,\theta),

где θ=ωt\theta = \omega t - безразмерная фаза времени, AA и BB - амплитуды, aa и bb - целые множители частоты, φ\varphi - разность фаз между колебаниями. В каждый момент пара (x,y)(x, y) задаёт положение точки, и по мере роста θ\theta она вычерчивает кривую. Это ровно та же идея суперпозиции, что и при сложении коллинеарных колебаний, только результат складывается не в новую амплитуду вдоль одной прямой, а в двумерную траекторию: каждая координата растёт независимо, а фигура на плоскости - это просто параметрический график двух синусов друг против друга.

Уравнение эллипса и угол его наклона

Самый содержательный случай - равные частоты, a=b=1a = b = 1. Тогда время можно исключить явно: раскрывая sin(θ+φ)=sinθcosφ+cosθsinφ\sin(\theta + \varphi) = \sin\theta\cos\varphi + \cos\theta\sin\varphi и выражая sinθ\sin\theta, cosθ\cos\theta через x/Ax/A и y/By/B, получают общее уравнение траектории

x2A2+y2B22xycosφAB=sin2φ.\frac{x^2}{A^2} + \frac{y^2}{B^2} - \frac{2xy\cos\varphi}{AB} = \sin^2\varphi.

Это уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник 2A×2B2A \times 2B, но повёрнутого относительно осей координат (кроме частных значений фазы). Угол наклона большой оси эллипса θ0\theta_0 находится из условия поворота квадратичной формы к главным осям:

tan2θ0=2ABcosφA2B2.\tan 2\theta_0 = \frac{2AB\cos\varphi}{A^2 - B^2}.

Если амплитуды равны, A=BA = B, эта формула вырождается: при любой фазе, кроме φ=0,π\varphi = 0, \pi, оси эллипса направлены под 4545^\circ к координатным. Именно эта формула наклона - тот же результат, который в оптике задаёт ориентацию эллипса поляризации при сложении двух перпендикулярных световых колебаний, так что задача о фигуре Лиссажу и задача об эллиптически поляризованном свете математически совпадают.

Эллиптическая траектория при равных частотах: прямоугольник амплитуд A на B, эллипс повёрнут на угол между большой осью и осью x, вычисленный по разности фаз
Эллиптическая траектория при равных частотах: прямоугольник амплитуд A на B, эллипс повёрнут на угол между большой осью и осью x, вычисленный по разности фаз

Вырожденные случаи: отрезок и окружность

При φ=0\varphi = 0 произведение cosφ=1\cos\varphi = 1 обращает правую часть уравнения в нуль, и квадратичная форма распадается на пару прямых, из которых физический смысл имеет одна: y=(B/A)xy = (B/A)\,x. Колебания идут строго в такт, и точка движется по прямому отрезку по диагонали прямоугольника. При φ=π\varphi = \pi получается тот же отрезок, но с противоположным наклоном - колебания в противофазе.

При φ=π/2\varphi = \pi/2 слагаемое с произведением xyxy исчезает, и уравнение превращается в канонический эллипс с осями вдоль координатных: x2/A2+y2/B2=1x^2/A^2 + y^2/B^2 = 1. Если вдобавок амплитуды равны, A=BA = B, этот эллипс становится окружностью - точка равномерно движется по кругу. Так один и тот же механизм сложения двух перпендикулярных колебаний с равными частотами даёт целое семейство фигур: от прямой через наклонный эллипс до окружности, и всё зависит только от фазы и отношения амплитуд.

Кратные частоты и фигуры Лиссажу

Если частоты неравны, но их отношение a:ba:b выражается целыми числами, кривая остаётся замкнутой: за один общий период θ[0,2π)\theta \in [0, 2\pi) оба слагаемых успевают вернуться в исходную фазу, потому что sin(a(θ+2π))=sin(aθ)\sin(a(\theta+2\pi)) = \sin(a\theta) при целом aa. Такие замкнутые кривые с целым отношением частот и называют фигурами Лиссажу - они устроены сложнее эллипса, но подчиняются тому же принципу: координаты xx и yy меняются независимо, каждая по своему синусу, а форма получившейся фигуры зависит от отношения a:ba:b и от фазы φ\varphi.

Снизу бежит проекция x(t) с множителем частоты 3, слева проекция y(t) с множителем 4; перо в центре берёт горизонтальную координату от нижней проекции и вертикальную от левой. За общий период оно трижды касается боковых стенок и четырежды верхней и нижней, вычерчивая фигуру Лиссажу 3:4

Если же отношение частот иррационально, точка никогда не возвращается в исходное положение: кривая постепенно, виток за витком, заполняет весь прямоугольник A×BA \times B, не замыкаясь. Практически отличить очень близкое к целому, но иррациональное отношение от истинно целого можно по тому, замирает фигура на экране или медленно "плывёт", смещаясь при каждом новом обходе.

Как прочитать отношение частот по фигуре

У замкнутой фигуры Лиссажу есть удобный практический признак: число касаний боковых, левой и правой, стенок прямоугольника равно множителю частоты по оси xx, то есть числу aa, а число касаний верхней и нижней стенок равно множителю частоты по оси yy, то есть числу bb. Это следует напрямую из формул: экстремумы xx достигаются при aθ+φ=π/2+kπa\theta + \varphi = \pi/2 + k\pi и повторяются aa раз за период, а экстремумы yy - при bθ=π/2+kπb\theta = \pi/2 + k\pi и повторяются bb раз.

Определение отношения частот по фигуре Лиссажу 2:3: отмечены две точки касания боковых стенок и три точки касания верхней и нижней, их отношение и даёт искомую пропорцию частот
Определение отношения частот по фигуре Лиссажу 2:3: отмечены две точки касания боковых стенок и три точки касания верхней и нижней, их отношение и даёт искомую пропорцию частот

Именно на этом принципе основано измерение неизвестной частоты с помощью электронно-лучевого осциллографа: на один вход подают эталонное колебание известной частоты, на другой - исследуемое, и по устойчивой неподвижной фигуре считают число касаний рамки с каждой стороны. Несократимое отношение этих чисел и есть отношение частот, а зная одну из них, легко найти вторую.

Пример: угол эллипса для конкретных значений

Пусть точка участвует в двух колебаниях одинаковой частоты с амплитудами A=4A = 4 см по оси xx и B=3B = 3 см по оси yy, а разность фаз составляет φ=60\varphi = 60^\circ (то есть π/3\pi/3). Найдём угол наклона большой оси получившегося эллипса.

Подставляем значения в формулу наклона:

tan2θ0=243cos604232=240,57=1271,714.\tan 2\theta_0 = \frac{2 \cdot 4 \cdot 3 \cdot \cos 60^\circ}{4^2 - 3^2} = \frac{24 \cdot 0{,}5}{7} = \frac{12}{7} \approx 1{,}714.

Отсюда 2θ0=arctan(1,714)59,72\theta_0 = \arctan(1{,}714) \approx 59{,}7^\circ, а значит θ029,9\theta_0 \approx 29{,}9^\circ. Большая ось эллипса наклонена почти точно на 3030^\circ к оси xx - заметно меньше, чем 4545^\circ, которые получились бы при равных амплитудах. Такой расчёт полностью совпадает с тем, что покажет калькулятор выше, если выставить в нём отношение частот 1:11{:}1, эти же амплитуды и фазу 6060^\circ.

Частые ошибки

  • Путают, какая стенка отвечает за какую ось. Касания боковых, левой и правой, стенок дают множитель частоты по оси xx, а касания верхней и нижней - по оси yy. Перепутав их местами, получают перевёрнутое отношение частот.
  • Забывают, что формула угла наклона эллипса работает только при равных частотах. При aba \ne b уравнение x2/A2+y2/B22xycosφ/(AB)=sin2φx^2/A^2+y^2/B^2-2xy\cos\varphi/(AB)=\sin^2\varphi и формула tan2θ0\tan2\theta_0 неприменимы - кривая перестаёт быть эллипсом.
  • Считают, что фаза всегда поворачивает фигуру. При a=ba=b фаза действительно меняет наклон и форму эллипса, но при aba \ne b она лишь сдвигает узор фигуры Лиссажу, не меняя числа касаний рамки.
  • Не сокращают отношение a:ba{:}b. Посчитав касания без деления на общий делитель, получают завышенное отношение частот вместо несократимого.
  • Путают амплитуду с частотой. Амплитуды AA и BB задают только размер прямоугольника, в который вписана фигура, а её форму внутри этого прямоугольника определяют исключительно отношение частот и разность фаз.

FAQ

Как найти угол наклона эллипса при сложении двух перпендикулярных колебаний одинаковой частоты? По формуле tan2θ0=2ABcosφ/(A2B2)\tan 2\theta_0 = 2AB\cos\varphi/(A^2-B^2), где AA, BB - амплитуды, φ\varphi - разность фаз. При равных амплитудах угол равен 4545^\circ для любой фазы, кроме 00 и π\pi, когда эллипс вырождается в отрезок.

Чем сложение перпендикулярных колебаний отличается от обычного сложения колебаний? При сложении колебаний вдоль одной прямой результат - снова колебание вдоль неё же, с новой амплитудой и фазой. При сложении перпендикулярных колебаний результат - не число, а траектория на плоскости: обе координаты меняются независимо, и их совместное движение прочерчивает кривую.

Почему фигура Лиссажу не всегда замкнута? Кривая замкнута только при рациональном отношении частот, когда оба колебания одновременно возвращаются к исходной фазе через конечное число периодов. При иррациональном отношении такого общего периода не существует, и траектория со временем плотно заполняет весь прямоугольник амплитуд, не повторяясь.

Коротко

Сложение двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний x=Asin(aθ+φ)x=A\sin(a\theta+\varphi) и y=Bsin(bθ)y=B\sin(b\theta) даёт плоскую траекторию, форма которой зависит от отношения частот a:ba{:}b и разности фаз φ\varphi. При равных частотах это эллипс, повёрнутый на угол θ0\theta_0 из формулы tan2θ0=2ABcosφ/(A2B2)\tan2\theta_0=2AB\cos\varphi/(A^2-B^2), вырождающийся в отрезок при φ=0,π\varphi=0,\pi и в окружность при φ=π/2\varphi=\pi/2, A=BA=B. При целом отношении частот a:ba{:}b получаются замкнутые фигуры Лиссажу, а само отношение легко прочитать по числу касаний боковых и верхней-нижней стенок ограничивающего прямоугольника.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Фигуры Лиссажу: сложение перпендикулярных колебаний

Фигуры Лиссажу: сложение перпендикулярных колебаний

Фигуры Лиссажу при сложении взаимно перпендикулярных колебаний: как отношение частот и разность фаз задают форму траектории, как читать a:b по касаниям рамки и где ошибаются в задачах.

11 июня 20268 минут
Эффект Саньяка: разность фаз встречных лучей и гироскоп

Эффект Саньяка: разность фаз встречных лучей и гироскоп

Эффект Саньяка простыми словами: откуда берётся разность фаз встречных лучей во вращающемся кольце, формулы для разности фаз и времён, и как на этом работают оптические гироскопы.

13 июня 20268 минут
Координатный способ задания движения точки: формулы

Координатный способ задания движения точки: формулы

Кинематика точки при координатном способе задания движения: как найти уравнение траектории, скорость и ускорение по x(t) и y(t), разложить ускорение на составляющие и вычислить радиус кривизны пути.

11 июня 20269 минут
Биения двух близких частот: формула и период

Биения двух близких частот: формула и период

Биения двух близких частот простыми словами: как сумма двух колебаний даёт пульсацию амплитуды, чему равна частота и период биений, откуда берётся несущая и почему при равных частотах биения исчезают.

10 июня 20267 минут
Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: механизм

Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: механизм

Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: как хлорид алюминия активирует галогенид, почему возникает устойчивый арениевый ион и как оценить барьер реакции и риск переалкилирования.

7 июля 20268 минут
Допуск замыкающего звена размерной цепи: как считать

Допуск замыкающего звена размерной цепи: как считать

Как найти допуск замыкающего звена размерной цепи методом максимума-минимума и вероятностным методом, что такое увеличивающие и уменьшающие звенья и где ошибаются студенты.

7 июля 20269 минут