32752

Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник. Его решения. Вектор-амплитуда

Доклад

Физика

Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник. Это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника. Оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда когда выполнены следующие предположения: 1силы трения действующие на тело пренебрежимо малы и поэтому их можно не учитывать; 2 деформации пружины в процессе колебаний тела невелики так что можно их считать упругими и в соответствии с этим пользоваться законом Гука. Эта формула показывает что частота свободных колебаний не зависит от начальных...

Русский

2013-09-05

51 KB

33 чел.

27.Уравнение свободных колебаний без трения: пружинный маятник.  Его решения. Вектор-амплитуда.

Пружинный маятник.

 Колебательная система в этом случае представляет собой совокупность некоторого тела и прикрепленной к нему пружины. Пружина может располагаться либо вертикально (вертикальный пружинный маятник), либо горизонтально (горизонтальный пружинный маятник).
,где ах – ускорение, т - масса, х - смещение пружины, k – жесткость пружины.

Это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника.

Оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда, когда выполнены следующие предположения:

1)силы трения, действующие на тело, пренебрежимо малы и поэтому их можно не учитывать;

2) деформации пружины в процессе колебаний тела невелики, так что можно их считать упругими и в соответствии с этим пользоваться законом Гука.

Свободные колебания пружинного маятника имеют следующие причины.

1. Действие на тело силы упругости, пропорциональной смещению тела х от положения равновесия и направленной всегда к этому положению.

2. Инертность колеблющегося тела, благодаря которой оно не останавливается в положении равновесия (когда сила упругости обращается в нуль), а продолжает двигаться в прежнем направлении.

            Выражение для циклической частоты имеет вид:

,

где  w - циклическая частота,  k - жесткость пружины,  т - масса.

Эта  формула показывает, что частота свободных колебаний не зависит от начальных условий и полностью определяется собственными характеристиками самой колебательной системы — в данном случае жесткостью k и массой т.

Это выражение определяет период свободных колебаний пружинного маятника.

Пускай имеется система, состоящая из пружины (подчиняющейся закону Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на другом находится тело массой m. Колебания совершаются в среде, где сила сопротивления пропорциональна скорости с коэффициентом c (см. вязкое трение).

Тогда второй закон Ньютона для рассматриваемой системы запишется так:

где Fc — сила сопротивления, Fy — сила упругости

Fc = − cv, Fy = − kx, то есть

ma + cv + kx = 0

или в дифференциальной форме

где k — коэффициент упругости в законе Гука, a — ускорение горизонтального движения грузика.

Для упрощения вводятся следующие обозначения:

Величину ω называют собственной частотой системы, ζ — коэффициентом затухания.

Тогда дифференциальное уравнение принимает вид

Сделав замену x = eλt, получают характеристическое уравнение

Корни, которого вычисляются по следующей формуле

Зависимость графиков колебаний от значения ζ.

В зависисимости от величины коэффицинта затухания решение разделяется на три возможных варианта.

Апериодичность 

Если , то имеется два действительных корня, и решение дифференциального уравнения принимает вид:

В этом случае колебания с самого начала экспоненциально затухают.

Граница периодичности 

Если , два действительных корня совпадают , и решением уравнения является:

В данном случае может иметь место временный рост, но потом — экспоненциальное затухание.

Слабое затухание 

Если , то решением характеристического уравнения являются два комплексно сопряжённых корня

Тогда решением исходного дифференциального уравнения является

Где  — собственная частота затухающих колебаний.

Константы c1 и c2 в каждом из случаев определяются из начальных условий:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54618. Здоровя – мудрих гонорар 56 KB
  Мати купала своїх діток мила їхні голівоньки різними травами зіллям що позитивно впливало на здоровя і приємно пахло. Це корисно для зміцнення здоров’я та закалювання організму. Що більш шкідливо для здоров’я...
54619. Подорож океанами 1.19 MB
  Варіант оформлення місця проведення: фізична карта світу для тих етапів де потрібно морські пейзажі корабель з паперу на синьому фоні портрети мореплавців емблеми учасникам на морську тематику та інше. Етап Штурманський Проїдьте світовим океаном і визначте координати наступних географічних об’єктів кть об’єктів залежить від кількості учасників наприклад: Маріанський жолоб; о. Врангеля; Етап Історикогеографічний Ф Магеллан Ф. Етап Екологічний...
54620. Внутрішні води Північної Америки 386.5 KB
  Найбільші річки це Міссісіпі разом з найбільшою притокою Міссурі. учитель ділить клас на групи кожній групі своя річка яку необхідно охарактеризувати І група Колумбія відноситься до басейну Тихого океану ІІ група Маккензі Північного Льодовитого океану ІІІ група Міссісіпі Атлантичного океану Проблема забруднення вод Північної Америки.км2 Міссісіпі з Міссурі 6420 3268 Маккензі з р. Річка Міссісіпі Найдовша річкова артерія Північної Америки – Міссісіпі з притокою Міссурі 6420 км площа водозбору якої становить 3300...
54621. Вивчення історико-географічних, культурних характеристик міста на березі Чорного моря учнями початкової школи як один із дієвих способів формування світогляду справжнього громадянина 946.5 KB
  Одеси Медведенко Любові Олександрівни Рідний край – мала Батьківщина †Вивчення історикогеографічних культурних характеристик міста на березі Чорного моря учнями початкової школи як один із дієвих способів формування світогляду справжнього громадянина. Наприклад відповідь на запитання: Чи є майже 400річна історія Хаджибея частиною історії нашого міста чи може вона лише “ передісторія †Одеси Дискусії з цього питання продовжуються і до тепер. Однак незалежно від дискусій науковців сама по собі майже 400річна історія Хаджибея...
54622. Одяг для ляльок 33 KB
  Хід: Вихователь: Доброго ранку малята А тепер давайте привітаємось один з одним за допомогою гарних і приємних слів. Вихователь: Діти я дуже рада вас бачити такими здоровими привітними задоволеними. І от: До магазину учора ходила – Подивіться що я там купила Відкриваю дошку Будуть наші ляльки раді Одягатись приміряти Вихователь: Що це Вихователь: Як назвати одним словом Вихователь: Який ви ще знаєте одяг Вихователь: Що розміщено у верхньому ряду Показую указкою на кофти Вихователь: Якого вони кольору Вихователь: Скільки...
54623. Конкуренция: сущность и методы 22.24 KB
  Конкуренция (от лат. Сoncurre – сталкиваться) – это борьба между товаропроизводителями, между поставщиками товаров (продавцами) за лидерство, за первенство на рынке, за «кошелек» потребителя
54624. Простые предложения 32.5 KB
  Цель урока: Закрепить знания о простом предложении. Задачи: образовательная: учиться анализировать, сопоставлять и рассуждать; воспитательная: воспитание интереса к изучению русского языка; развивающая: развивать зрительную память, самооценку, внимание.
54625. Громадський огляд знань 70 KB
  Обладнання: картки із завданнями математичне доміно числова мельниця. Кожен із вас отримає оціночний лист додаток №1 в якому ви будете ставити собі бали за виконані завдання. Завдання 1. 54=1 75=12 810=2 Завдання 2 Усний рахунок.
54626. Огонь – друг и враг человека 103.5 KB
  Цель:Рассказать об огне и показать его созидательную и разрушительную силу; дать представление о значении огня в жизни человека, о поведении во время возникновения пожара. Развивать познавательный интерес. Воспитывать бережное отношение к своей и чьей-то жизни.