Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • ВВЕДЕНИЕ. Гармоническим называют такое колебательное движение, при котором на тело массы m действует возвращающая сила F






    Гармоническим называют такое колебательное движение, при котором на тело массы m действует возвращающая сила F, пропорциональная отклонению x от положения равновесия.

    На рисунке 13.1. показан пружинный маятник, расположенный горизонтально. Это шарик массой m, прикрепленный к пружине обладающей упругостью k.

    Если шарик вывести из положения равновесия (растянуть или сжать пружину), то вследствии ее деформации возникает сила упругости, возвращающая шарик в положение равновесия

    Рис. 13.1.

    (13.1.)

    где k – коэффициент возвращающей силы. Знак минус означает противоположность направлений х и F. Эта сила сообщает телу ускорение а и может быть выражена по закону Ньютона:

    (13.2.)

    - ускорение. Из формул (13.1.) и (13.2.) получаем дифференциальное уравнение гармонических колебаний

    (13.3.)

    Решением этого уравнения является уравнение вида:

    (13.4.)

    Здесь А – амплитуда колебаний,

    j - начальная фаза,

    (wt+j) – фаза колебаний в момент времени t,

    w - циклическая частота.

    Согласно решению уравнению (13.3.)

    (13.5.)

    Так как циклическая частота зависит только от свойств колеблющейся системы (массы и упругости), то ее называют собственной циклической частотой системы.

    Примерно по гармоническому закону происходит движение математического маятника (рис.13.2.), первоначально выведенного из положения равновесия на малый угол a £ 50.

    Рис.13.2.

    Напомним, что математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на нерастяжимой нити. Действующая на материальную точку массой m сила тяжести Р=mg раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие, одна из которых F1 растягивает нить, а вторая –F вызывает ускорение в сторону положения равновесия, ее называют возвращающей силой. Она равна

    Относительно точки подвеса тело совершает вращательное движение; поэтому для вывода уравнения движения надо воспользоваться законом динамики для вращательного движения.

    Возвращающая сила создает возвращающий момент силы

    Так как угол a мал, то sina» a (здесь a выражен в радианах). Поэтому

    (13.7.)

    Знак (-) указывает, что сила тяжести препятствует отклонению тела на угол a. Этот момент силы вызовет движение шарика с угловым ускорением равным второй производной угла по времени, т.е.

    (13.8.)

    где I – момент инерции шарика относительно точки подвеса.

    (13.9.)

    Подставив уравнение (13.9.) в уравнение (13.8.) и приравняв правые части полученного уравнения и уравнения (13.7.) получим уравнение движения математического маятника

    (13.10.)

    Если сравним его с уравнением (13.3.), то собственная циклическая частота математического маятника будет зависеть от длины и ускорения силы тяжести, т.е.

    (13.11.)

    Это значит, что роль массы в этом случае выполняет длина нити, а упругость системы – ускорение силы тяжести.

    Известно, что период колебаний связан с частотой соотношением:

    (13.12.)

    Подставив в уравнение (13.12.) значение w для пружинного маятника или для математического (уравнение (13.11.), получим для математического маятника

    (13.13.)

    Это уравнение используют для измерения ускорения силы тяжести с помощью математического маятника.

    Из уравнения (13.13.) легко определить ускорение свободного падения:

    (13.14.)

    Непосредственное измерение длины маятника l не представляется возможным, т.к. центр тяжести лабораторного маятника не совпадает точно с геометрическим центром шарика. Поэтому при определении ускорения силы тяжести наблюдают колебания маятника для различных l и определяют периоды колебаний Т1 и Т2. Тогда g легко выразить через Т1 и Т2 и разность длин маятников. Окончательно имеем:

    (13.15.)






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.