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

67244. КУЛЬТУРА XVII ВЕКА 47 KB
  На почве этого противоречия кризис вакуум идеалов. Основные противоречия в культуре 17 века: Противоречия в развития национальных культур. Противоречия в экономической жизни неравномерное развитие стран. Противоречия художественной жизни.
67245. Основные ресурсы для обеспечения жизненного цикла сложных программных средств 200.5 KB
  Общее понятие доступные ресурсы обеспечения жизненного цикла ПС включает реальные финансовые временные кадровые и аппаратурные ограничения затрат в условиях которых происходит создание и совершенствование комплексов программ. Эти факторы проявляются как дополнительные характеристики процессов ЖЦ и программных...
67246. Перевантаження бінарних операторів «+» і «=» 118.5 KB
  Перевантаження операторів — одна з найефективніших можливостей мови C++. Вона дозволяє повністю інтегрувати нові класи в існуюче програмне середовище. Після перевантаження операції над об'єктами нових класів виглядають точно так, як і операції над змінними вбудованих типів.
67247. Маркетинговый аудит 45.27 KB
  В рамках такого анализа предстоит оценить эффективность информационных систем маркетинга в компании систем планирования и контроля за исполнением плана маркетинга. Основными вопросами в этом случае могут быть следующие: а информационные системы; б системы планирования; в системы контроля; г разработка новых продуктов.
67248. Правовые и технические основы безопасности жизнедеятельности 28.56 KB
  Правовую основу обеспечения безопасности жизнедеятельности составляют соответствующие законы и постановления принятые представительным органами РК а также подзаконные акты: Указы Президента постановления принимаемые правительством местными органами власти и специально уполномоченными органами.
67249. Феномен культурной глобализации 38 KB
  20 век характеризуется как эпоха глобализации так как страны и государства перестали развиваться изолированно друг от друга события произошедшие в одной стране тут же получают отклик во всем мире. Некоторые ученые говорят о том что современный этап глобализации является отнюдь не первым.
67250. ЮРИДИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС 123 KB
  Например обращение гражданина в суд для защиты нарушенного или оспоренного субъективного права без соблюдения установленного гражданским процессуальным законом Гражданским процессуальным кодексом порядка не приведет к желаемому результату: судья либо откажет в принятии заявления либо оставит поданное заявление...
67251. НЕЙРОННЫЕ ОСНОВЫ ПАМЯТИ И НАУЧЕНИЯ 168.5 KB
  Память можно определить как способность мозга приобретать и использовать опыт сохранять полученную информацию. Поскольку научение основывается на механизмах памяти два этих понятия неразрывно связаны. Такая перестройка должна обеспечивать адаптивное изменение поведения благодаря сохранению...
67252. ПОЛІТИКА ТА ЕТНОНАЦІОНАЛЬНІ ВІДНОСИНИ 161.5 KB
  Якщо народи існували з давніхдавен то нації викристалізувалися лише в XVII XVIII ст. Народність це історично сформована мовна територіальна економічна і культурна спільність людей яка передує нації. На відміну від нації у народності немає промисловості і відповідно...