16230

Изучение движения физического резонанса

Лабораторная работа

Физика

Тема: Изучение движения физического резонанса. Введение Физическим маятником называется твердое тело находящееся в поле сил тяготения и имеющего ось вращения лежащую в плоскости перпендикулярной вектору ускорения свободного падения g. o

Русский

2013-06-20

151.5 KB

1 чел.

Тема: Изучение движения физического резонанса.

Введение

Физическим маятником называется твердое тело, находящееся в поле сил тяготения и имеющего ось вращения, лежащую в плоскости, перпендикулярной вектору ускорения свободного падения g.

    o

            r

        o

                          mg

 Известно, что движение твердого тела, имеющего неподвижную ось вращения, описывается уравнением

              ,                                   (1)

где - момент инерции относительно оси вращения;- угловая скорость вращения;- суммарный момент действующих на тело внешних сил.

 Для физического маятника уравнение (1) преобразуется к виду

              .                              (2)

Уравнение (2) описывает идеализированный случай движения, поскольку не учитывает силы трения. Здесь -момент силы тяжести; - угол отклонения центра масс тела, отсчитываемый от вертикальной оси (положения равновесия);- масса тела;- расстояние от точки закрепления О до центра масс С.

 Умножим обе части (2) на :

и преобразуем полученное выражение к виду

.                          (3)

Интегрирование этого соотношения приводит к уравнению

               (4)

Постоянная интегрирования С может быть найдена из начальных условий(соотношениё для положения равновесия):

,,

где  угловая скорость маятника при прохождении положения равновесия,

Тогда    (4) имеет вид

                                 (5)

Это- уравнение колебания физического маятника.

Для дальнейшего изучения характера движения удобно это уравнение представить в виде

                  (6)

Знаки "+" или "-" соответствуют движению маятника вправо или влево от положения равновесия.

 Характер движения маятника существенно зависит от величины параметра .Действительно, если кинетическая энергия тела при прохождении положения устойчивого равновесия больше, чем работа, необходимая для поднятия центра тяжести маятника от самого низкого положения ( положения устойчивого равновесия) до самого высокого(положения не устойчивого равновесия),

,

то подкоренное выражение в правой части (6) всегда положительно и угол  с течением времени может неограниченно увеличиваться .Другими словами, если , то маятник соверщает вращательное движение вокруг своей оси подвеса с переменной угловой скоростью (кривая 1 на рис. 2).

Если , то , и движение маятника изображается кривой 2 на рис. 2.

Если , то подкоренное выражение положительно при , где .         (7)

Во время движения угол  возрастает до , затем убывает до , т.е. происходят колебания физического маятника.      1

  

         

          2

 max

                3

 -max

Для малых значений , таких что , уравнение (2) преобразуется к виду                (8)

 Это уравнение гармонических колебаний, где - собственная частота колебаний .

Его решение имеет вид

   ,

здесь A,a - амплитуда и начальная фаза колебаний, которые могут быть найдены из начальных условий.Вид такого движения показан на рис. 2 кривой 3.

Все время движения физического маятника в  общем случае связанно с углом поворота  соотношением

,                 (10)

полученным из (6).Если в это соотношение подставить пределы интегрирования  и , также что , то получим формулу для периода колебательного движения:

.                (11)

  Интеграл, стоящий в правой части (11), не может быть выражен через элементарные функции. Однако для малых значений угла  можно с помощью разложения в ряд и замены на  получить в первом приближении для периода гармонических колебаний формулу

.                       (12)

Математический маятник

Математическим маятником называется идеализированная система, состоящая из невесомой и не растяжимой нити, на которой подвешена масса, сосредоточенная в одной точке. В приближении малых значений углов отклонения уравнение колебаний математического маятника будет иметь вид (8).С учетом того, что момент инерции

,              (13)

где  масса материальной точки, расстояние до точки подвеса, собственная частота колебаний

                     (14)

Период колебаний математического маятника

.              (15)

Эта формула используется для определения ускорения свободного падения.

Оборотный маятник

Для изучения характеристик движения физического маятника будем использовать оборотный маятник, представляющий собой стержень с двумя легкими опорными призмами и двумя массивными съемными грузами. По теореме Гюйгенса-Штейнера момент инерции такого маятника относительно закрепленной оси, проходящей через точку О (рис.1),

,             (16)

где -момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс,-расстояние между О и С. Подставив (16) в формулу для периода (12), получим

.            (17)

Качественно вид зависимости T(r) изображен на рис. 3. Если подвешивать маятник по другую сторону от центра масс, то, как видно из (17), зависимость T(r) имеет две симметричные ветви.

 По каждую сторону от центра масс  имеются два положения опорных призм, при которых периоды колебаний маятника совпадают ( и ). Найдем их: T() = T() = T,

тогда из (17)

,        T

откуда и

(18)                                     o                   r1          r2                        r

Следовательно, ускорение свободного падения может быть определено по формуле

.             (19)

Упражнение 1.

а) Определение наименьшей длинны подвеса маятника, при  котором с точностью до 0,5%  можно считать


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40704. Услуги, их специфические черты. Основные виды 34.5 KB
  Услуги их специфические черты. Услуги действия направленные непосредственно на потребителя. Услуги виды деятельности в процессе выполнения которых не создается новый материальновещественный продукт но изменяется качество имеющегося продукта. Услуги блага предоставляемые в форме деятельности.
40705. Рынок услуг, механизм его функционирования и регулирования 26.5 KB
  Рынок услуг механизм его функционирования и регулирования. Рынок услуг сфера обращения или совокупность актов куплипродажи различных видов деятельности удовлетворяющие потребности отдельного человека группы людей организаций. Рынок нематериальных услуг как совокупность социальноэкономических институтов – это набор субъектов хозяйствования связей отношений норм социальноэкономической жизни которые имеют устойчивый характер и сохраняются в течение длительного времени. На рынке нематериальных услуг проявляются экономические отношения...
40706. Направления развития сферы услуг в современных условиях 35 KB
  Направления развития сферы услуг в современных условиях. Рынок услуг сфера обращения или совокупность актов куплипродажи различных видов деятельности удовлетворяющие потребности отдельного человека группы людей организаций. Рынок нематериальных услуг как совокупность социальноэкономических институтов – это набор субъектов хозяйствования связей отношений норм социальноэкономической жизни которые имеют устойчивый характер и сохраняются в течение длительного времени. На рынке нематериальных услуг проявляются экономические отношения...
40707. Регион как территориальный социально-экономический комплекс. Основные характеристики 28.5 KB
  Она исследует экономические явления и процессы связанные с рыночным развитием хозяйства отдельных регионов и их включением в единое экономическое пространство России. Основные черты : узкая специализация регионов с доминированием какоголибо одного комплекса: рыбопромышленного мясомолочного военнопромышленного и т. Типы проблемных регионов: слаборазвитые хронически отстают от среднероссийского уровня экон.
40708. Устойчивое развитие регионов как фактор стабильности национальной экономики 76 KB
  И в городе и в районе и в субъекте Федерации необходимо осуществлять разработку стратегии развития оценивать положительные и отрицательные стороны этого развития выявлять факторы конкурентоспособности формировать общую и функциональные стратегии вести стратегический контроль проводить мероприятия городского и регионального маркетинга. Эти программы позволяют властным структурам координировать работу всех органов и лиц...
40709. Налоговое бремя экономики и его измерение 31.5 KB
  Проблема тяжести налогового бремени волнует различных агентов хозяйственной деятельности: государство как субъект управления хозяйственной деятельностью на своей территории и перераспределения доходов от нее в виде налогов в пользу прочих элементов государственной и социальной жизнедеятельности; организации и предприятия как объекты управляющего воздействия государства и субъекты собственно предпринимательской деятельности обеспечивающие формирование источника предпринимательского дохода и соответственно налогооблагаемой базы; ...
40710. Налоговая политика: сущность, содержание и механизмы реализации 26.5 KB
  Налоговая политика: сущность содержание и механизмы реализации. Налоговая политика комплекс правовых действий органов власти и управления определяющий целенаправленное применение налоговых законов. Налоговая политика является частью финансовой политики. Экономическая обоснованная налоговая политика преследует цель оптимизировать централизацию средств через налоговую систему.
40711. Инвестиции - источники формирования и объекты вложений (инвестирования) 32 KB
  Инвестиции источники формирования и объекты вложений инвестирования. Инвестиции от лат. Выделяют также производственные инвестиции направляемые на новое строительство реконструкцию расширение и техническое перевооружение действующих предприятий и интеллектуальные вкладываемые в создание интеллектуального духовного продукта; контролирующие прямые инвестиции обеспечивающие владение более чем 50 голосующих акций другой компании и неконтролирующие обеспечивающие владение менее чем 50 голосующих акций другой компании. В зависимости...
40712. Финансовый рынок: структура и механизм функционирования 28.5 KB
  Финансовый рынок – это сфера проявления экономических отношений между продавцами и покупателями финансовых денежных ресурсов и инвестиционных ценностей то есть инструментов образования финансовых ресурсов между их стоимостью и потребительной стоимости. Как и любой рынок финансовый рынок предназначен для установления непосредственных контактов между покупателями и продавцами финансовых ресурсов. Финансовая система Российской Федерации включает следующие звенья финансовых отношений: государственную бюджетную систему; внебюджетные...