Сложение перпендикулярных колебаний: уравнение эллипса

Когда точка одновременно участвует в двух гармонических колебаниях вдоль перпендикулярных осей и , 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 и вдоль оси по гармоническим законам
где - безразмерная фаза времени, и - амплитуды, и - целые множители частоты, - разность фаз между колебаниями. В каждый момент пара задаёт положение точки, и по мере роста 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, . Тогда время можно исключить явно: раскрывая и выражая , через и , получают общее уравнение траектории
Это уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник , но повёрнутого относительно осей координат (кроме частных значений фазы). Угол наклона большой оси эллипса находится из условия поворота квадратичной формы к главным осям:
Если амплитуды равны, , эта формула вырождается: при любой фазе, кроме , оси эллипса направлены под 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.

Вырожденные случаи: отрезок и окружность
При произведение обращает правую часть уравнения в нуль, и квадратичная форма распадается на пару прямых, из которых физический смысл имеет одна: . Колебания идут строго в такт, и точка движется по прямому отрезку по диагонали прямоугольника. При получается тот же отрезок, но с противоположным наклоном - колебания в противофазе.
При слагаемое с произведением исчезает, и уравнение превращается в канонический эллипс с осями вдоль координатных: . Если вдобавок амплитуды равны, , 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 выражается целыми числами, кривая остаётся замкнутой: за один общий период оба слагаемых успевают вернуться в исходную фазу, потому что при целом . Такие замкнутые кривые с целым отношением частот и называют фигурами Лиссажу - они устроены сложнее эллипса, но подчиняются тому же принципу: координаты и меняются независимо, каждая по своему синусу, а форма получившейся фигуры зависит от отношения и от фазы .
Если же отношение частот иррационально, точка никогда не возвращается в исходное положение: кривая постепенно, виток за витком, заполняет весь прямоугольник , 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 , то есть числу , а число касаний верхней и нижней стенок равно множителю частоты по оси , то есть числу . Это следует напрямую из формул: экстремумы достигаются при и повторяются раз за период, а экстремумы - при и повторяются раз.

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 см по оси и см по оси , а разность фаз составляет (то есть ). Найдём угол наклона большой оси получившегося эллипса.
Подставляем значения в формулу наклона:
Отсюда , а значит . Большая ось эллипса наклонена почти точно на к оси - заметно меньше, чем , которые получились бы при равных амплитудах. Такой расчёт полностью совпадает с тем, что покажет калькулятор выше, если выставить в нём отношение частот , эти же амплитуды и фазу .
Частые ошибки
- Путают, какая стенка отвечает за какую ось. Касания боковых, левой и правой, стенок дают множитель частоты по оси , а касания верхней и нижней - по оси . Перепутав их местами, получают перевёрнутое отношение частот.
- Забывают, что формула угла наклона эллипса работает только при равных частотах. При уравнение и формула неприменимы - кривая перестаёт быть эллипсом.
- Считают, что фаза всегда поворачивает фигуру. При фаза действительно меняет наклон и форму эллипса, но при она лишь сдвигает узор фигуры Лиссажу, не меняя числа касаний рамки.
- Не сокращают отношение . Посчитав касания без деления на общий делитель, получают завышенное отношение частот вместо несократимого.
- Путают амплитуду с частотой. Амплитуды и 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 , где , - амплитуды, - разность фаз. При равных амплитудах угол равен для любой фазы, кроме и , 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 и даёт плоскую траекторию, форма которой зависит от отношения частот и разности фаз . При равных частотах это эллипс, повёрнутый на угол из формулы , вырождающийся в отрезок при и в окружность при , . При целом отношении частот получаются замкнутые фигуры Лиссажу, а само отношение легко прочитать по числу касаний боковых и верхней-нижней стенок ограничивающего прямоугольника.
Читайте также

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.

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.

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.

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.

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.

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.