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

35550. Редуктор двухступенчатый соосный двухпоточный с внутренним зацеплением тихоходной ступени 1.7 MB
  Кинематический расчет и выбор электродвигателя Исходные данные: потребный момент на валу исполнительного механизма ИМ Тим=30Нм; угловая скорость вала ИМ ωим=58с1; Определяем мощность на валу ИМ Nим= Тимх ωим=30х58=174Вт. Определяем общий КПД привода по схеме привода ηобщ=ηкп ηшп ηм ηп1. =097209820994=0868 Определяем потребную мощность электродвигателя [1 с. Определяем номинальную частоту вращения электродвигателя по формуле 5 [1c.
35551. Кибернетика. Курс лекций 887.5 KB
  Уже давно ученые обнаружили сходство некоторых процессов управления в системах различной материальной природы и попытались использовать эти аналоги в исследованиях и практических приложениях. Она показала плодотворность использования аналогии процессов управления для их познания и совершенствования. Именно на этой почве формируются конкретные приложения кибернетики в экономике предметом изучения которой являются процессы управления и связанные с ними процессы передачи и обработки информации в экономических системах. Это обуславливается...
35552. АНАЛИЗ МЕДИАРЫНКОВ 524 KB
  Существуют ли другие продукты которые будут покупать потребители что ограничит потенциал нового продукта услуги Сила поставщиков или Рыночная власть поставщиков Достаточно ли продукции на рынке Существует ли какойнибудь компонент добавленной стоимости позволяющий конкурировать с другими поставщиками Противостояние существующих производителей или Угроза от существующих конкурентов Сколько компаний борются за рынок Какова в целом позиция конкурентов Какие методы конкуренции используются Угроза новых участников рынка или...
35553. Система управления летательного аппарата (СУЛА) 2.06 MB
  В основе процесса управления лежит информация о задачах управления заданной цели и текущем состоянии системы. В соответствие с эти процесс управления включает следующие основные этапы: получение необходимой информации о задачах управления; получение информации о текущем состоянии объекта управления ЛА; анализ полученной информации и выработку решения управляющего воздействия; реализацию принятого решения. Из этих же элементов состоит процесс управления ЛА.
35554. Эстетика 2.1 MB
  Такой подход позволяющий уйти от умозрительных схем избежать схоластичности эстетических суждений сопровождает рассмотрение содержания основных эстетических категорий искусства художественного сознания художественного образа художественного стиля художественной композиции художественного содержания и формы художественного творчества и других в процессе их исторического становления. Синтез исторического и теоретического примененный к эстетическому знанию оказывается по убеждению автора наиболее продуктивным в учебном и...
35555. БИОМЕДИЦИНСКАЯ ЭТИКА 1.36 MB
  Медицинские вмешательства в репродукцию человека. Это не значит что они удалены от повседневной жизни рядового человека и представляют интерес только для специалистов. Ознакомиться с основными этическими документами: Конвенция о правах человека и биомедицине Клятва Гиппократа Клятва российского врача. Тексты: Конвенция о правах человека и биомедицине Клятва Гиппократа Клятва российского врача.
35556. Турбины теплоэлектростанций 2.94 MB
  Построение процесса расширения пара в турбине в hsкоординатах. Построение процесса расширения пара для конденсационной турбины. Построение процесса расширения пара для теплофикационной турбины. Определение расчетного расхода пара на турбину.
35557. ВОСТОК/ЗАПАД. Региональные подсистемы и региональные проблемы международных отношений 2.68 MB
  Пространственные границы таких систем носят вполне условный характер. Подсистемы Европы или АзиатскоТихоокеанского региона хотя и отличаются характером своих отношений со средой однако не только существуют в реальности но и имеют некоторые пространственные границы часто весьма условные. Уолтца стал фактически общепринятым в науке о международных отношениях пусть в некоторых странах он напрямую и не ассоциировался с его именем подход М. Под глобализацией здесь и далее понимается возникновение новой системы мирового хозяйствования...
35558. Введение в систему MathCAD 4.95 MB
  Основы работы с MathCAD Решение уравнений средствами Mathcad Наиболее подходящей для этой цели является одна из самых мощных и эффективных математических систем MathCAD которая занимает особое место среди множества таких систем Matlab Maple Mathematica и др.