Аналогия колебаний системы
связанных осцилляторов и движения земных материков
Предисловие
редактора. В предлагаемом вниманию читателя письме чл.-корр. АТТ, д.ф-м.н.,
Г.Н. Лукьянова рассмотрена математическая модель, показывающая возможность
возникновения знакопостоянной силы при знакопеременном воздействии. Эта
модель была бы крайне полезна для объяснения дрейфа континентов. Как известно,
в теории дрейфа предполагалось, что континенты, подобно дредноутам плывут
по магме, куда им заблагорассудится, взламывая тонкую и слабую океаническую
кору. Для такой теории предложенная Г.Н. Лукьяновым модель могла бы объяснить
причину дрейфа. Однако, океаническая кора оказалась прочнее материковой,
рифтовые разломы и океанические желоба показали, что континенты плывут
на поверхности магмы туда, куда их несут существующие в магме течения,
сталкиваясь между собой и налезая друг на друга. Тем не менее, работа Г.Н.
Лукьянова представляет интерес и в этом случае, так как демонстрирует механизм
"детектирования" знакопеременного воздействия и получения постоянной составляющей
при отсутствии явно выраженной нелинейности. Такой механизм может найти
место в объяснении возникновения и ориентации магматических потоков.
Моделируются колебания
четырех связанных осцилляторов, при этом вынуждающие внешние силы Fi (i
- номер осциллятора) изменяется по закону изменений температуры в земной
атмосфере и для всех четырех осцилляторов синфазны (рис. 1).
Рис. 1. Система
из четырех осцилляторов с упругими связями
Массы грузов m1,
…, m4 взяты такими,
что выполняется соотношение: m2
= 0,8m1; m3
= 0,5m1; m4
= 1,2·m1.
Начальные отклонения
x1 = 0,1; x2
= 0,2; x3 = 0,3; x4
= 0,4.
Жесткости всех упругих
связей (пружин) k приняты равными k = 1.
Массы, отклонения,
силы и жесткости взяты в относительных единицах.
При отсутствии внешних
сил, спустя какое-то время после старта, система остановится, и грузы останутся
в положении равновесия (рис.2).
Рис.2. Синяя кривая
- первый осциллятор; зеленая - второй;
фиолетовая - третий;
черная - четвертый.
Пусть теперь на
каждый осциллятор действует внешняя сила, как на рис.1. Закон изменения
силы взят таким же, как для изменений температуры воздуха у земной поверхности
t. Амплитуда для каждой из сил Fi берется пропорциональной начальным отклонениям
x1, x2,
x3, x4,
т.е.
F1=a·t·x1;
F2
= a·t·x2;
F3
= a·t·x3;
F4
= a·t·x4,
где a
- постоянный коэффициент. Результат моделирования для этого случая приведен
на рис. 3.
Рис. 3. Результат
моделирования при действии на систему рис. 1 внешних сил.
Простое сравнение
рисунков 2 и 3 показывает, что теперь частота колебаний и их амплитуда
в большой степени определяются характеристиками внешнего воздействия, внешней
вынуждающей силой. Кроме этого, появилось смещение колебаний в положительную
область графика.
Пусть теперь коэффициент
a возрастет в 2 раза. Результат моделирования для этого случая приведен
на следующем рисунке (рис. 4).
Рис. 4. Результат
моделирования при действии на систему рис. 1 внешних сил, при условии,
что коэффициент a вырос
в два раза.
Как на рис. 3, так
и на рис. 4 поведение системы теперь в основном определяется внешним воздействием.
Посмотрим, что произойдет, если амплитуда вынуждающей силы вырастет в 2
раза по отношению к случаю, изображенному на рис. 4 (рис. 5).
Рис. 5. Амплитуда
вынуждающей силы возросла еще в 50 раз.
Качественных изменений
в поведении системы не произошло. Частота колебаний, как и на предыдущих
рисунках, определяется внешним воздействием, их амплитуда возросла в той
степени, в какой возросла амплитуда вынуждающей силы.
Выводы:
1.
При действии вынуждающей силы на систему из связанных упругими связями
осцилляторов, характер колебаний начинает определяться колебаниями вынуждающей
силы.
2.
Действие периодической вынуждающей силы может привести к появлению постоянной
составляющей в колебаниях осцилляторов.
Земные материки также
связаны между собой через упругую среду и в каком-то приближении могут
быть рассмотрены, как система связанных гармоническими связями осцилляторов.
Тогда колебания температуры атмосферы и земной поверхности, имеющие периодический
характер, вполне могут привести к появлению синхронной этим колебаниям
вынуждающей силы, которая будет определять характер движения материков.