Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Выведите формулу для периода колебаний физического маятника

Выведите формулу для периода колебаний физического маятника

В физике под маятником понимают твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной точки или оси. Принято различать математический и физический маятники.

Математическим маятником называют идеализированную систему, состоящую из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешена масса, сосредоточенная в одной точке.

Если колеблющееся тело нельзя представить как материальную точку, маятник называется физическим. При отклонении от положения равновесия на угол возникает вращательный момент, стремящийся вернуть маятник в положение равновесия. Этот момент равен:

где m – масса маятника, l – расстояние между точкой подвеса О и центром инерции C маятника. Знак “ – ” имеет тоже значение, что и в случае квазиупругой силы . Обозначив момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса, буквой I, можно написать основной закон динамики:

В случае малых колебаний это уравнение переходит в уже известное нам уравнение незатухающих гармонических колебаний:

где через обозначена в данном случае следующая величина:

Из этого уравнения следует, что при малых отклонениях от положения равновесия физический маятник совершает гармонические колебания. При этом период колебаний физического маятника определяется выражением:

Проведенное выше рассмотрение имеет место и для математического маятника. В этом случае маятник представляет собой материальную точку, момент инерции которой относительно оси, проходящей через точку подвеса, равен . С учетом этого, получаем формулу для периода колебаний математического маятника:

Для физического маятника вводится понятие приведенной длины . Приведенная длина физического маятника – это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физического маятника, т.е. .

Точка на прямой, соединяющей точку подвеса с центром инерции, лежащая на расстоянии приведенной длины от оси вращения, называется центром качания физического маятника (см. точку на рисунке). Можно показать, что при подвешивании маятника в центре качания приведенная длина, а значит, и период колебаний будут теми же, что и вначале. Следовательно, точка подвеса и центр качания обладают свойством взаимности: при переносе точки подвеса в центр качания точка подвеса становится новым центром качания.

Получите дифференциальное уравнение затухающих гармонических колебаний.

45. По какому закону изменяется колеблющаяся величина при затухающих гармо­нических колебаниях? Приведите график зависимости

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук – маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

43. Дайте определение и выведите формулу периода колебаний физического маят­ника.

В физике под маятником понимают твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной точки или оси. Принято различать математический и физический маятники.

Читайте так же:
Припой пос 40 2мм

Математическим маятником называют идеализированную систему, состоящую из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешена масса, сосредоточенная в одной точке.

Если колеблющееся тело нельзя представить как материальную точку, маятник называется физическим. При отклонении от положения равновесия на угол возникает вращательный момент, стремящийся вернуть маятник в положение равновесия. Этот момент равен:

где m – масса маятника, l – расстояние между точкой подвеса О и центром инерции C маятника. Знак “ – ” имеет тоже значение, что и в случае квазиупругой силы . Обозначив момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса, буквой I, можно написать основной закон динамики:

В случае малых колебаний это уравнение переходит в уже известное нам уравнение незатухающих гармонических колебаний:

где через обозначена в данном случае следующая величина:

Из этого уравнения следует, что при малых отклонениях от положения равновесия физический маятник совершает гармонические колебания. При этом период колебаний физического маятника определяется выражением:

Проведенное выше рассмотрение имеет место и для математического маятника. В этом случае маятник представляет собой материальную точку, момент инерции которой относительно оси, проходящей через точку подвеса, равен . С учетом этого, получаем формулу для периода колебаний математического маятника:

Для физического маятника вводится понятие приведенной длины . Приведенная длина физического маятника – это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физического маятника, т.е. .

Точка на прямой, соединяющей точку подвеса с центром инерции, лежащая на расстоянии приведенной длины от оси вращения, называется центром качания физического маятника (см. точку на рисунке). Можно показать, что при подвешивании маятника в центре качания приведенная длина, а значит, и период колебаний будут теми же, что и вначале. Следовательно, точка подвеса и центр качания обладают свойством взаимности: при переносе точки подвеса в центр качания точка подвеса становится новым центром качания.

Получите дифференциальное уравнение затухающих гармонических колебаний.

45. По какому закону изменяется колеблющаяся величина при затухающих гармо­нических колебаниях? Приведите график зависимости

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Все Формулы по Физике здесь

Давай те выведем формулу для периода физического маятника.

При небольших углах отклонения

физический маятник так же совершает гармонические колебания. Будем считать, что вес физического маятника приложен к его центру тяжести в точке С. Силой, которая возвращает маятник в положение равновесия, в данном случае будет составляющая силы тяжести – сила F.

Читайте так же:
Снегоуборочный отвал для мотоблока своими руками

Знак минус в правой части означает то, что сила F направлена в сторону уменьшения угла α. С учетом малости угла

Так как угол маленький, у нас получается, что F равно:

Для вывода закона движения физического маятников используем основное уравнение динамики вращательного движения:

Так как момент силы определить в явном виде нельзя. Надо записать дифференциальное уравнение колебаний физического маятника:

Сравнивая полученное выражение с уравнением гармонических колебаний:

Из уравнения видно, что циклическая частота пружинного маятника будет иметь вид:

Департамент научно-технологической политики и образования

Цель работы: изучить зависимость периода колебаний от длины маятника и определить ускорение свободного падения.

Оборудование: математический маятник, шкала, секундомер.

Математический маятник представляет собой небольшой шарик, подвешенный на длинной нити (рис. 4.1).

Рисунок 5 — Схема установки

При гармонических колебаниях смещение шарика от положения равновесия изменяется по закону

где А и Т – постоянные.

Величина А называется амплитудой колебаний. Как видно из формулы (14), она равна максимальному смещению шарика. Постоянная Т равна периоду колебаний, т.е. времени, за которое совершается одно полное колебание. Действительно, при изменении времени от 0 до Т выражение под знаком косинуса изменяется от 0 до 2π, т.е. величина x проходит полный цикл своего изменения (маятник возвращается в исходное состояние).

Основное свойство математического маятника заключается в том, что период его колебаний не зависит от массы шарика. Он зависит только от длины нити ( l ) и от ускорения свободного падения (g). Эта зависимость выражается следующей формулой

Из формулы (15) следует, что зная период колебаний и длину маятника, можно определить ускорение свободного падения.

Период колебаний маятника можно определить, если отсчитать какое-то количество колебаний N и измерить время, за которое они произошли. Тогда период колебаний

Следует подчеркнуть, что формула (16) не выражает зависимости периода от времени и числа колебаний. Период не зависит от t или N. Физический смысл формулы (16) состоит в том, что отношение остается постоянным при постоянной длине маятника. Длину маятника измерить сложнее. Дело в том, что полученные расчеты будут тем точнее, чем больше длина нити. Поэтому точка подвеса маятника в данной установке выбрана как можно выше. В этих условиях прямое измерение длины было бы неудобным и неточным. В настоящей работе длина нити учитывается косвенным методом.

Непосредственно измеряется лишь та часть длины нити (z), которая находится в пределах настенной шкалы, причем эту длину можно изменять, передвигая ползунок 3 (рисунок 5). Расстояние l 0 от точки подвеса до начала шкалы остается при этом постоянным. Таким образом, длина маятника складывается из двух слагаемых — постоянной величины l 0 и изменяемой величины z:

Читайте так же:
Станки для колки дров видео

В соответствии с этим формулу (14) можно переписать в виде:

Возводя обе части (18) в квадрат, получим выражение зависимости Т 2 от z:

График зависимости Т 2 (z) представляет собой прямую линию. Коэффициент В можно найти из графика, как тангенс угла наклона этой прямой к оси z. Затем можно определить ускорение свободного падения. Согласно (22)

Порядок выполнения работы

1. Установите ползунок в крайнее нижнее положение шкалы. Этому положению соответствует минимальная длина маятника: l = l 0 , z = 0.

2. Отклоните маятник от положения равновесия на небольшой угол и отпустите. С помощью секундомера определите время, за которое совершается 10 полных колебаний. По формуле (16) найдите период колебаний маятника.

3. Передвиньте ползунок вверх на 20 см. При этом длина маятника увеличивается на 20 см (h=0,2 м). Далее повторяйте действия, описанные в п. 2.

4. Продолжайте опыты с новыми значениями z, каждый раз передвигая ползунок вверх на 20 см.

5. Результаты измерений представьте в первых трех колонках таблицы.

6. Постройте график зависимости квадрата периода Т 2 от z. При построении графика нужно по экспериментальным точкам провести прямую так, чтобы она наилучшим образом отвечала расположению всех точек.

7. Определите коэффициент В как тангенс угла наклона полученной прямой к оси z. По формуле (23) рассчитайте g.

Формулы периода колебаний математического и пружинного маятника

Это материальная точка, подвешенная на тонкой нерастяжимой и невесомой нити.

Если отклонить маятник от положения равновесия, то сила тяжести и сила упругости будут направлены под углом. Равнодействующая сила уже не будет равна нулю. Под воздействием этой силы маятник устремится к положению равновесия, но по инерции движение продолжится и маятник отклоняется в другую сторону. Равнодействующая сила его снова возвращает. Далее процесс повторяется.

Период колебаний математического маятника зависит от его длины, определяется по формуле

Формулы периода колебаний математического и пружинного маятника

Важно где происходят колебания! На Луне и на Земле один и тот же математический маятник при одинаковых начальных условиях колебаться будет по-разному. Так как ускорение свободного падения на Луне отличается от ускорения свободного падения на Земле.

Пружинный маятник

Это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.

Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует. В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости.

Существуют две простые колебательные системы, которые решены и рассматриваются в школьной программе, — это пружинный и математический маятник. Рассмотрим каждую из них:

  1. Пружинный маятник

Пружинным маятником называется система, состоящая из тела массы и пружины, жёсткостью (рис. 1).

Рис. 1. Пружинный маятник

Для такой системы выведены следующие соотношения:

  • где
  • — собственная частота колебаний системы

Также можем ввести период такого маятника:

  • где
  • — период колебаний пружинного маятника.
Читайте так же:
Ручной гайковерт мясорубка для грузовиков цена

2. Математический маятник

Рис. 2. Математический маятник

Математическим маятником называется малое тело (материальная точка) массы , подвешенная на нити длиной .

Для такой системы выведены следующие соотношения:

  • где
  • — собственная частота колебаний системы

Также можем ввести период такого маятника:

  • где
  • — период колебаний пружинного маятника.

Вывод: реальные колебательные системы в курсе школьной физики представлены только пружинным и математическим маятником, которые описываются соотношениями (1) — (4). Достаточно определить необходимый параметр и решить систему.

Маятник на пружине — механическая система, состоящая из пружины с коэффициентом упругости (жёсткостью) k (закон Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на втором находится груз массы m.

Период колебаний пружинного маятника может быть вычислен по следующей формуле:

T = 2 π m k <displaystyle T=2pi <sqrt <frac >>> .

Когда на массивное тело действует упругая сила, возвращающая его в положение равновесия, оно совершает колебания около этого положения. Такое тело называют пружинным маятником. Колебания возникают под действием внешней силы. Колебания, которые продолжаются после того, как внешняя сила перестала действовать, называют свободными. Колебания, обусловленные действием внешней силы, называют вынужденными. При этом сама сила называется вынуждающей.

В простейшем случае пружинный маятник представляет собой движущееся по горизонтальной плоскости твердое тело, прикрепленное пружиной к стене.

Второй закон Ньютона для такой системы при условии отсутствия внешних сил и сил трения имеет вид:

m a = − k x ⟺ x ¨ + k m x = 0 <displaystyle ma=-kxiff <ddot >+<frac >x=0>

Если на систему оказывают влияние внешние силы, то уравнение колебаний перепишется так:

x ¨ + k m x = f ( x ) <displaystyle <ddot >+<frac >x=f(x)> , где f(x) — это равнодействующая внешних сил соотнесённая к единице массы груза.

В случае наличия затухания, пропорционального скорости колебаний с коэффициентом c:

x ¨ + c m x ˙ + k m x = f ( x ) <displaystyle <ddot >+<frac ><dot >+<frac >x=f(x)>

Вынужденные колебания

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).

Механические колебания

Механические колебания — это физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени.

Колебания делятся на два вида: свободные и вынужденные.

Колебания, которые происходят под действием внутренних сил в колебательной системе, называют свободными. Они всегда затухающие, потому что весь запас энергии, сообщенный в начале, в конце уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (в этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю). Из-за этого свободные колебания почти не имеют практического применения.

Вынужденные колебания

А вот вынужденные колебания восполняют запас энергии внешним воздействием. Если это происходит каждый период, то колебания вообще затухать не будут.

Какие колебания называются вынужденными?

Частота, с которой эта сила воздействует, равна частоте, с которой система будет колебаться.

Например, качели — если вас кто-то будет на них качать, каждый раз давая толчок, когда вы приходите в одну и ту же точку, такое колебание будет считаться вынужденным.

Читайте так же:
Наполнитель для галтовки otec

Это колебание все еще будет считаться вынужденным, если вас будут раскачивать из положения равновесия. Просто в данном случае амплитуда (о которой речь пойдет чуть ниже) будет увеличиваться с каждым колебанием.

Автоколебания

Иногда вынужденному колебанию не нужно внешнего воздействия, чтобы случиться. Бывают такие системы, в которых это внешние воздействие возникает само из-за способности регулировать поступление энергии от постоянного источника.

У автоколебательной системы есть три важных составляющих:

  • сама колебательная система
  • источник энергии
  • устройство обратной связи, обеспечивающей связь между источником и системой

Например, часы с кукушкой — пример автоколебательной системы. Гиря на ниточке (цепочке) стремится вращать зубчатое колесо (храповик). При колебаниях маятника анкер цепляет за зубец, и вращение приостанавливается.

Но в результате маятник получает толчок, компенсирующий потери энергии из-за трения. Потенциальная энергия гири, которая постепенно опускается, расходуется на поддержание незатухающих колебаний.

колебания на примере часов

Характеристики колебаний

Любое колебательное движение характеризуется величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.

Формула периода колебаний

T = t/N

N — количество колебаний [-]

Кстати, для математического и пружинного маятника есть свои формулы периода:

Формула периода колебания математического маятника

Формула периода колебания математического маятника

l — длина нити [м]

g — ускорение свободного падения [м/с^2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Формула периода колебания пружинного маятника

Формула периода колебания пружинного маятника

m — масса маятника [кг]

k — жесткость пружины [Н/м]

Также есть величина, обратная периоду — частота. Она показывает, сколько колебаний совершает система в единицу времени.

Формула частоты

ν = N/t = 1/T

N — количество колебаний [-]

  • Амплитуда — это максимальное отклонение от положения равновесия. Измеряется в метрах и обозначается либо буквой A, либо xmax.

Она используется в уравнении гармонических колебаний:

Уравнение гармонических колебаний

Уравнение гармонических колебаний

x — координата в момент времени t [м]

xmax— амплитуда [м]

t — момент времени [с]

В данном уравнении 2πνt является фазой и обозначается греческой буквой φ.

Фаза колебаний

xmax— амплитуда [м]

t — момент времени [с]

  • Фаза колебаний — это физическая величина, которая показывает отклонение точки от положения равновесия. Посмотрите на рисунок, на нем изображены одинаковые фазы:

Например, в тех же самых часах с кукушкой маятник совершает колебания. Он качается слева направо и приходит в самую правую точку. В той же фазе он будет находиться, когда придет в ту же точку, идя справа налево. Если мы возьмем точку на сантиметр левее самой правой, то идя в нее не слева направо, а справа налево, мы получим уже другую фазу.

Курсы по физике за 9 класс в онлайн-школе Skysmart помогут разобраться в любой сложной теме.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector