3828

Колебательные движения физического маятника

Контрольная

Физика

Физический маятник 1.Параметры колебательного движения Движение, при котором координата точки изменяется по закону косинуса (или синуса) называется гармоническим колебанием. Таким образом, при равномерном движении точки по окружности ее проекция сов...

Русский

2014-09-23

110.6 KB

11 чел.

Физический маятник

1.Параметры колебательного движения

Движение, при котором координата точки изменяется по закону косинуса (или синуса) называется гармоническим колебанием. Таким образом, при равномерном движении точки по окружности ее проекция совершает гармонические колебания.

Смещение из положения равновесияотклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени.

Амплитуда колебаний А – наибольшее отклонение колеблющейся величины от ее среднего значения.

ω t + α – фаза колебаний

α - начальная фаза колебаний

Мгновенная скорость частицы – векторная физическая величина, равная отношению перемещения Δ, совершенного частицей за очень малый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

υ = dx / dt = - Aωsin (ωt + α) = Aωcos (ωt + α + π/2)

υmax = Aω – амплитуда скорости

Средняя скорость частицы векторная физическая величина, равная отношению перемещения, совершенного частицей за время t, к этому времени.

Ускорение материальной частицы – векторная физическая величина, равная пределу к которому стремится отношение изменения скорости, произошедшего за малый промежуток времени к этому промежутку времени.

a = / dt = - Aω2cos (ωt + α) = Aω2sin (ωt + α + π)

amax = Aω2 – амплитуда ускорения

Период колебаний Т – время, за которое совершается одно полное колебание.

Частота колебаний ν - физическая величина, показывающая число колебаний, совершаемых за 1 с.

Циклическая (или круговая) частота ω – это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.

ω = 2 ∙ π / Т = 2 ∙ π ∙ ν

Уравнение гармонических колебаний для колебаний груза на пружине.

Гармонические колебания совершает тело массы m, на которое действует только квазиупругая сила F = - kx,

где х – отклонение колеблющегося тела от положения равновесия, k – коэффициент упругости.

Уравнение движения:

ma = - kx

     ∙∙

a = d2 x / d t2 = x

     ∙∙

m ∙ x + k ∙ x = 0

∙∙

x + k / mx = 0

k / m = ω2

∙∙

x + ω2  x = 0 – дифференциальное уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний.

x = Acos (ωt + α) – решение уравнения.

Закон изменения кинетической, потенциальной и полной энергии частицы.

Полная энергия гармонического колебания должна оставаться постоянной.

В процессе колебаний происходит превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно.

В моменты наибольшего отклонения от положения равновесия полная энергия Е состоит только из потенциальной энергии, которая достигает своего наибольшего значения.

При прохождении системы через положение равновесия полная энергия состоит лишь из кинетической энергии, которая в эти моменты достигает своего наибольшего значения.

Кинетическая энергия Ек = mυ2 / 2 = mA2 ∙ ω2 / 2 ∙ sin2 (ω ∙ t + α)

Потенциальная энергия Еп = kx2 / 2 = kA2 / 2 ∙ cos2 (ω ∙ t + α) = mA2 ∙ ω2 / 2 ∙ cos2 (ω ∙ t + α)

Полная энергия Е = Ек + Еп = mA2 ∙ ω2 / 2 = kA2 / 2

Eк = Е ∙ sin2 (ω ∙ t + α) = Е / 2 ( 1 – cos 2(ωt + α))

Eп = Е ∙ cos2 (ω ∙ t + α) = Е / 2 ( 1 + cos 2(ωt + α))

2.Уравнение колебаний математического и физического маятника.

Под маятником в физике понимают твёрдое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной точки или оси. Различают математический  и физический маятник.

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

При отклонении маятника от положения равновесия возникает вращательный момент М:

М = - mgl sin φ = - mglφ (в случае малых колебаний),

где m – масса маятника, l – длина маятника, φ – угол, образованный нитью с вертикалью, - характеризует отклонение маятника от положения равновесия.

Основное уравнение вращательного движения М = I ∙ ε

            ∙∙

Угловое ускорение  ε = d2φ / d t2 = φ

Момент инерции I = ml2

Уравнение движения примет вид:

∙∙

ml2 ∙ φ = - mglφ

Частота колебаний ω2 = g / l

∙∙

φ + ω2 ∙ φ = 0 – дифференциальное уравнение относительно функции φ (t).

Решение этого уравнения φ = φ0cos (ω ∙ t + α),

где α – начальная фаза колебаний, ω – циклическая частота колебаний.

Период колебаний Т = 2 ∙ π / ω = 2 ∙ π ∙ √ l / g

Если колеблющееся тело нельзя представить как материальную точку, маятник называется физическим.

C – центр масс,  lс – расстояние от точки подвеса до центра масс.

При отклонении маятника от положения равновесия возникает вращательный момент М:

М = - mglс sin φ = - mglφ (в случае малых колебаний),

Основное уравнение вращательного движения

    ∙∙

М = I ∙ ε = Iφ

Уравнение движения примет вид:

   ∙∙

I ∙ φ + mglcφ = 0

∙∙

φ + mglc / Iφ = 0

Частота колебаний ω2 = mg  lc / I

∙∙

φ + ω2 ∙ φ = 0 – дифференциальное уравнение относительно функции φ (t).

Решение этого уравнения φ = φ0cos (ω ∙ t + α),

где α – начальная фаза колебаний, ω – циклическая частота колебаний.

Период колебаний Т = 2 ∙ π / ω = 2 ∙ π ∙ √ I / mglc

Период, частота колебаний и приведённая длина физического маятника.

Частота колебаний ω = √ mglc / I

Период колебаний Т = 2 ∙ π √ I / mglc = 2 ∙ π √ Lпр / g

Приведённая длина физического маятника – это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом данного физического маятника.

Lпр = I / m ∙ lc

Lпр > lc


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64974. Идентичность «Танну-Урянхая» и «Урянхайская проблема» 260.5 KB
  Круг выступает также как проекция шара, признаваемая идеальным телом в мифопоэтической (религиозно-мифологической), так и в древнейшей научно-философской традиции (ср. идеи Ксенофана о шаре как образе единства ограниченности и безграничности и о шарообразности божества).
64975. Поволжье в составе Золотой Орды 148.5 KB
  Поволжье в составе Золотой Орды Монгольское завоевание в XIII в. волжские булгары в дальнейшем оказались в орбите нового политического союза Золотой Орды где в силу обширности территорий объединялись многие народы. После образования Золотой Орды где не было официальной общепринятой государственной религии среди наибольшей части местного...
64976. МОНГОЛЬСКАЯ ЛИТЕРАТУРА 79 KB
  Самым ранним образцом воспринятой монголами письменности считается надпись на так называемом Чингисовом камне в которой прославляется искусная стрельба из лука Исункэ племянника Чингиса. Вторая часть занимающая три 684 четверти всего сказания посвящена рассказу о жизни и деятельности Чингиса как создателя Монгольского государства.
64977. О НЕКОТОРЫХ «БЕССПОРНЫХ ИСТИНАХ» ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ИСТОРИИ 48.5 KB
  Но сегодня мы остановимся только на одном фрагменте это на вопросе неудачного противостояния Руси натиску монгольских завоевателей. И главной причиной поражения Руси в этой схватке нашедшей отражение в научной и публицистической литературе неизменно называется феодальная раздробленность...
64979. Относительно монгольского присутствия на Боспоре в 1222-1223 годах 48.5 KB
  В конечном итоге отряды Джебе-нойона и Субедей-багатура достигли в 1222 г. пределов северо-кавказской Алании, что и привело к первому сражению между ними и объединенными силами аланов и кипчаков. Как свидетельствуют летописи, во время сражения ни одна из сторон не смогла одержать победу...
64980. О хазара-монголах 47.5 KB
  Мусульманские страны привыкли называть монголов и тюрков «степными». Первые степные люди – тюрки в 900 г. н.э. приняв ислам и завоевав нынешние Иран, Ирак, некоторые земли Афганистана и России, обосновались на турецких землях и стали называться сельджуками.
64981. Чингисхан – человек- легенда. Размышления к 850 летнему юбилею 69 KB
  За право считать Чингисхана своим сегодня борются все русские китайцы монголы татары казахи киргизы узбеки якуты и даже украинские евреи. Все западные гороскопы Чингисхана являются полным бредом не выдерживающим элементарной исторической критики чего стоит дата на 18.
64982. Монгольский Митраизм 196 KB
  800 лет назад, в начале XIII века, мир стал свидетелем рождения первой мировой Супердержавы, равной которой не было ни в Древнем Мире, ни в Средневековье, ни в последующие эпохи, державы перевернувшей мировую историю и представления людей об окружающем их мире...