4133

Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника

Лабораторная работа

Физика

Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника Мета роботи. Вивчити затухаючі коливання математичного маятника i визначити характеристики затухаючих коливань (період затухаючих коливань, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт зат...

Украинкский

2012-11-14

138.5 KB

25 чел.

Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника

Мета роботи.

Вивчити затухаючі коливання математичного маятника i визначити характеристики затухаючих коливань (період затухаючих коливань, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт затухання, час релаксації коливань).

  1.  Теоретичні відомості.

В реальних фізичних системах, які здійснюють вiльнi коливання, крім внутрішньої сили, яка повертає систему до положення рівноваги, завжди діють сили тертя та опору. Тому реальні вiльнi коливання відбуваються з поступовими втратами енергії коливань на роботу проти цих сил i створення коливань у навколишньому середовищі, i вони є затухаючими.

Розглянемо вiльнi затухаючі коливання математичного маятника. Математичним маятником називається матеріальна точка підвішена на невагомій i нерозтяжній нитці, що коливається у вертикальній площині під дією сили тяжіння. На практиці математичним маятником можна вважати металеву кульку масою m, підвішену на легкій нитці, довжина якої l значно більша за розміри кульки (рис. 1). Центр мас такої системи збігається з центром мас кульки.

При вiдхиленнi маятника від положення рівноваги виникає повертаюча до положення рівноваги сила F, яка є складовою сили тяжіння кульки i дорівнює:

,

де g – прискорення вільного падіння, α- кутове зміщення маятника відносно положення рівноваги.

При малих кутах (α ≤10º ) ,                                              (1)

де х – лінійне зміщення кульки відносно положення рівноваги.

Тому повертаюча сила дорівнюватиме:

,                                                       (2)

де знак “ - “ вказує на те, що сила напрямлена в протилежну сторону до зміщення х.

Повертаюча сила F за природою не є пружною, але як і остання пропорційна зміщенню від положення рівноваги, тому вона називається квазіпружною.

Коефіцієнт  називається коефіцієнтом квазіпружної сили.

Будемо вважати, що причиною затухання коливань є сила опору в’язкого середовища, яка у випадку невеликої швидкості руху тіла дорівнює:

,                                                        (3)

де r – коефіцієнт опору, який залежить від в’язкості середовища та форми тіла, а  – швидкість тіла, що дорівнює:

Знак “ - ” в рівнянні (3) вказує на те, що сила опору повітря напрямлена у бік протилежний швидкості кульки.

Запишемо рівняння динаміки руху математичного маятника:

,                                                  (4)

де а – прискорення кульки, яке дорівнює:

Рис. 1.

Підставимо вираз для швидкості та прискорення в формулу (4) і отримаємо:

Поділимо останнє рівняння на m і введемо позначення:

                                                      (5)

Остаточно рівняння вільних затухаючих коливань математичного маятника матиме вигляд:

                                          (6)

Розв’язком цього рівняння є функція:

                                            (7)

Враховуючи те, що кутове зміщення α відповідно до формули (1) пропорційне лінійному зміщенню х, диференціальне рівняння вільних коливань та його розв’язок можна представити у вигляді:

                                         (8)

,

де  - амплітуда затухаючих коливань в довільний момент часу, амплітуда коливань в початковий момент часу, β – коефіцієнт затухання, визначається формулою (5),  - циклічна частота затухаючих коливань

,                                                    (9)

де  - власна частота коливань:

                                                         (10)

Як видно з рівняння затухаючих коливань, амплітуда коливань з часом зменшується, тому затухаючі коливання лише умовно можна вважати періодичними. Умовний період затухаючих коливань визначається за формулою:

                                  (11)

Графік затухаючих коливань зображений на рис. 2.

Рис. 2.

Амплітуда затухаючих коливань зменшується за експоненціальним законом, але відношення амплітуд двох послідовних коливань є величиною сталою, тобто характеристикою коливань. Ця величина називається декрементом затухання, а її логарифм логарифмічним декрементом затухання:

                                    (12)

Затухаючі коливання також характеризують часом релаксації τ. За цей час амплітуда коливань зменшується в е раз:

Звідки випливає, що:

                                                      (13)

Таким чином, частота, період, коефіцієнт затухання, час релаксації та логарифмiчннй декремент затухання є характеристиками затухаючих коливань.

3. Методика вимірювання.

Характеристики затухаючих коливань математичного маятника визначаються за вимірюваними значеннями амплітуди коливань в початковий момент часу та через час t, а також за кількістю коливань за цей час.

Період коливань маятника визначається за формулою:

                                                        (14)

Амплітуда коливань в момент часу t від початку коливань згідно формули (8) дорівнює:

З цієї формули отримаємо розрахункову формулу для коефіцієнта затухання:

                                                 (15)

З формули (13) час релаксації є величиною оберненою коефiцiєнту затухання. Тоді:

                                                    (16)

Підставимо вирази (15), (14) в формулу (12) і дістанемо розрахункову формулу для логарифмічного декремента затухання:

                                                    (17)

4. Порядок виконання роботи.

1. Відхилити маятник від положення рівноваги на кут α ≤10º i відпустити.

2. Пропустивши (1-2) коливання, виміряти кут відхилення маятника, який визначає амплітуду коливань в початковий момент часу αm, і одночасно увімкнути секундомір.

3. Відрахувати (20 —30) коливань і вимкнути секундомір. Записати час цих коливань і амплітуду коливань αm через цей час. Результати занести в таблицю 1. Вимірювання провести 3 рази.

Таблиця 1.

, град

, град

п

t, c

1

2

3

Середні значення

4. За середніми значеннями отриманих величин визначити середні значення періоду, коефіцієнта затухання, часу релаксації та логарифмічного декремента затухання за формулами (14), (15), (16), (17). Результати завести в таблицю 2.

5. Визначити відносні похибки вимірювання періоду, часу релаксації, коефіцієнта затухання, логарифмічного декремента затухання  за формулами:

, ,

, ,

, ,

, ,

відповідно. Результати занести в таблицю 2

6. Визначити абсолютні похибки непрямих вимірювань  за формулами: , , ,  відповідно та зробити висновки. Результати занести в таблицю 2.

Таблиця 2.

5. Прилади та обладнання.

Математичний маятник зі шкалою, секундомір, лінійка.


x

α

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Tз

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50604. Создание геометрических примитивов. Добавление освещения в сцену 278 KB
  Установив параметры нажмите кнопку Crete Создать. В окне проекции Top Вид сверху нажмите левую кнопку мыши и не отпуская левую клавишу передвиньте мышь определяя первый радиус конуса. Расположение объектов в окне проекции Top Создайте Тор для этого: Нажмите кнопку Torus Тор на панели Cret Создать Создайте тор в окне проекции Top Вид сверху. Создайте трубу для этого: Нажмите кнопку Tube Труба на панели Cret Создать Создайте в окне проекции Top...
50605. Создание интерьера кухни с помощью примитивов 3ds Max 677.5 KB
  Например все объекты сцены на рис. Сцена созданная из примитивов 3ds Mx Цель: Смоделировав подобную сцену вы ознакомитесь с интерфейсом программы научитесь создавать объекты и производить с ними основные операции: выравнивание перемещение вращение клонирование. Научиться производить над объектами основные операции.
50606. Проблемы реализации геополитической стратегии Российской Федерацией 99 KB
  Понятие “геополитика” в современном мире рассматривается, иногда чересчур широко, что, в конечном счете, размывает характерные особенности данного явления.
50607. Создание тел вращения по профилю сечения при помощи сплайнов 923.5 KB
  Сегмент segment это участок линии сплайна между двумя соседними вершинами. Криволинейные сегменты представляются набором прямолинейных отрезков часто незаметных для глаза число которых задается при создании сплайна. Вершины vertex сплайна различаются по типу и определяют степень кривизны сегментов сплайна прилегающих к этим вершинам.
50608. Создание объектов методом Editable Mesh (Редактируемая поверхность) 879 KB
  Переключитесь в режим редактирования Polygon Полигон. Выйдите из режима редактирования Polygon Полигон выделите объект перейдите на вкладку Modify Изменение командной панели выберите из списка Modifier List Список модификаторов модификатор MeshSmooth Сглаживание. Переключитесь в режим редактирования Edge Ребро. Переключитесь в режим редактирования Vertex Вершина.
50609. Создание объектов методом Editable Poly (Редактируемая полисетка) 390 KB
  Далее выделяете полигоны показанные на рисунке 3 выбирать можно по одному удерживая кнопку ctrl. Рис. Должно получиться как на рисунке 4.
50610. Создание объектов при помощи NURBS-кривых и NURBS-поверхностей 278.5 KB
  Отдельные фрагменты NURBS-поверхностей можно прикреплять друг к другу для наращивания общей площади. Различают два типа NURBSповерхностей: точечная поверхность point surfce проходит через все опорные точки заданные в трехмерном пространстве; CVповерхность CV surfce плавно огибает все опорные точки заданные в трехмерном пространстве и называемые управляющими вершинами Control Vertices CV. Создать стеклянные плафоны методом вращения профиля в виде NURBSкривой.
50611. Создание объектов при помощи модификаторов Bevel Bend и Extrude 1.78 MB
  Измените масштаб в окне проекции Front Вид спереди так чтобы вертикальный размер видимой части сетки составлял примерно 55-60 см. Для удобства разверните окно проекции во весь экран. В окнах проекции появится зеркальная копия сплайна выделенная красным цветом. Установка уровня визуализации окна проекции кнопка F9 Сложные сцены зачастую отображаются и визуализируются очень долго.
50612. Создание объектов с помощью лофтинга 3.14 MB
  Выберите команду Grid nd Settings Настройка сетки и привязок меню Customize Настройка и щелкните на корешке вкладки Home Grid Исходная сетка окно диалога Grid nd Snp Settings Настройка сетки и привязок. Щелкните на кнопке Geometry Геометрия командной панели Crete Создать и выберите в раскрывающемся списке разновидностей объектов вариант Compound Objects Составные объекты В свитке Object Type Тип объекта появятся девять кнопок соответствующих типам основных объектов. Щелкните по ней. В свитке Cretion Method Метод...