Основные понятия: затухающие колебания, свободные колебания, незатухающие колебания, вынужденные колебания, автоколебания .

Полная механическая энергия маятника E - сумма его потенциальной Е п = mgh и кинетической Е к = mυ 2 /2 энергий:

Е = Е п + Е к = mgh + mυ 2 /2. (1)

На рис.1 схематически представлено превращение потенциальной энергии математического маятника в кинетическую и наоборот.

Рис.1. Превращение энергии при колебательном движении математического маятника.

Когда маятник находится в т.А (точка, где смещение маятника от положения равновесия максимально), то его кинетическая энергия равна минимально возможному значению - нулю - Е к min = 0, а потенциальная энергия максимальна и равна E п max = mgh max . Таким образом, полная механическая энергия маятника в т.А в соответствии с (1) равна:

В точке А: Е = E п max + Е к min = mgh max + 0 = mgh max .

Когда маятник находится в какой-либо промежуточной точке между точками А (точка, где смещение маятника от положения равновесия максимально) и О (положение равновесия), то его полная механическая энергия E в соответствии с (1) равна:

В промежуточных точках: Е = Е п + Е к = mgh + mυ 2 /2 ,

Е п и Е к принимают некоторые промежуточные значения большие 0 и меньшие максимального значения: Е п = mgh < mgh max , Е к = mυ 2 /2 < mυ max 2 /2.

Когда маятник проходит точку О (положение равновесия), то его кинетическая энергия максимальна и равна Е к max = mυ max 2 /2, а потенциальная энергия в свою очередь теперь принимает нулевое значение Е п = 0:

В точке О: Е = E п min + Е к max = 0 + mυ max 2 /2 .

Таким образом, можно составить цепочку превращений одного вида энергии в другой при движении математического маятника от одной точки к другой (рис.1):

точка А -- точка N -- точка O -- точка M -- точка B --…..

E п max -- Е п + Е к -- Е к max -- Е’ п + Е’ к -- E п max -- …..

Е = Е п + Е к = mgh + mυ 2 /2 = Е к max = mυ max 2 /2 = E п max = mgh max (2)

Для пружинного маятника (рис.2) превращение энергии происходит аналогично.

Рис. 3. Автоколебательная система.

Перейти к следующему 34-му уроку: Распространение колебаний в среде. Волны.

Перейти к конспектов за 9 класс.

Небольшой шарик, подвешенный на легкой нерастяжимой нити, способен совершать свободное колебательное движение (рис. 598).

рис. 598
Для описания движения маятника будем считать шарик материальной точкой, пренебрежем массой нити и сопротивлением воздуха. Такая модель называется математическим маятником .
В качестве координаты, описывающей положение шарика, выберем угол отклонения нити от вертикали φ . Для описания изменения этой координаты удобно использовать уравнение динамики вращательного движения

где J = ml 2 − момент инерции системы, ε = Δω/Δt − угловое ускорение тела (вторая производная от угла поворота), M − суммарный момент внешних сил действующих на систему 1 . На шарик действуют силы тяжести mg и натяжения нити. Момент силы натяжения нити N относительно точки подвеса равен нулю, поэтому уравнение (1) для подвешенного шарика приобретает вид

или

Это уравнение описывает колебания маятника, но не является уравнением гармонических колебаний, так как момент сил пропорционален синусу угла отклонения, а не самому углу. Однако, если считать углы отклонения малыми (сколько это − мы выясним позднее), можно воспользоваться приближенной формулой sinφ ≈ φ в этом приближении уравнение (3) превращается в знакомое уравнение гармонических колебаний

где Ω = √{g/l} − круговая частота малых колебаний маятника 2 . Решение этого уравнения мы уже выписывали

здесь φ o − максимальное отклонение нити, то есть амплитуда колебаний. Для простоты будем считать, что начальная скорость шарика равна нулю.
Период малых колебаний маятника выражается через круговую частоту

Так как малые колебания математического маятника являются гармоническими, то их период не зависят от амплитуды. Этот факт был экспериментально отмечен еще Г. Галилеем. При больших углах отклонения период колебаний математического маятника незначительно возрастает.
Отметим, что период колебаний математического маятника не зависит также от массы шарика − вспомните, ускорение свободного падения, а также другие характеристики движения тела в поле тяжести Земли также не зависят от массы тела (если, конечно, пренебрегать сопротивлением воздуха).
Формула (6) может быть использована и используется для экспериментального определения ускорения свободного падения. Длина нити и период колебаний достаточно просто измерить экспериментально, затем с помощью формулы (6) можно рассчитать ускорение свободного падения.
Попробуем описать движение математического маятника с помощью закона сохранения механической энергии. Кинетическая энергия шарика выражается формулой

Нулевой уровень отсчета потенциальной энергии совместим с точкой подвеса нити, тогда потенциальная энергия шарика равна

Уравнения закона сохранения механической энергии (с учетом начальных условий) имеет вид

Это уравнение также не является уравнением гармонических колебаний. Но, если мы опять будем считать углы отклонения маятника малыми и воспользуемся приближенной формулой

то уравнение (7) перейдет в уравнение гармонических колебаний

или

где обозначено Ω = √{g/l} − круговая частота колебаний, совпадающая с полученной из динамического уравнения (2).
Конечно, такое совпадение не является случайным − фактически в обоих подходах мы использовали одно и то же приближение малых углов отклонения.

1 В принципе, можно использовать и уравнения динамики поступательного движения, но используемый здесь подход является предпочтительным, так как траекторией движения точки является дуга окружности.
2 Мы выбрали обозначение Ω (это тоже «омега», только заглавная) для собственной частоты малых колебаний, чтобы традиционное обозначение ω − оставить за угловой скоростью движения шарика, которая далее будет фигурировать в наших рассуждениях.

Если тело, прикрепленное к пружине (рисунок 4), отклонить от положения равновесия на расстояние А, например, влево, то оно, пройдя через положение равновесия, отклонится вправо. Это следует из закона сохранения энергии.

Потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины равна

где k - жесткость пружины и x - ее удлинение. В крайнем левом положении удлинение пружины x = - А, следовательно, потенциальная энергия равна

Кинетическая энергия в этот момент равна нулю, потому что нулю равна скорость. Значит, потенциальная энергия - это полная механическая энергия системы в этот момент. Если условиться, что сила трения равна нулю, а другие силы уравновешены, то нашу систему можно считать замкнутой и ее полная энергия при движении не может измениться. Когда тело при своем движении окажется в крайнем правом положении (x=А), Его кинетическая энергия снова будет равна нулю и полная энергия опять равна потенциальной. А полная энергия не может измениться. Значит, она снова равна

Это и означает, что и вправо тело отклонится на расстояние равное А.

В положении равновесия, напротив, потенциальная энергия равна нулю, потому что пружина не деформирована, х=0. В этом положении полная энергия тела равна его кинетической энергии

где m - масса тела и - его скорость (она в этот момент максимальна). Но эта кинетическая энергия тоже должна иметь значение равное. Следовательно, при колебательном движении происходит превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно. В любой же точке между положениями равновесия и максимального отклонения тело обладает и кинетической энергией, и потенциальной, но их сумма, т.е. полная энергия в любом положении тела, равна. Полная механическая энергия W колеблющегося тела пропорциональна квадрату амплитуды и его колебаний

Маятники. Математический маятник

Маятником является всякое тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Значит груз, подвешенный на веревке, это колебательная система подобная маятнику настенных часов. У всякой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия. У маятника - это то положение, при котором центр тяжести находится на вертикали под точкой подвеса. Если мы выведем маятник из этого положения или толкнем его, то он начнет колебаться, отклоняясь то в одну, то в другую сторону от положения равновесия. Мы знаем, что наибольшее отклонение от положения равновесия, до которого доходит маятник, называется амплитудой колебаний. Амплитуда определяется тем первоначальным отклонением или толчком, которым маятник был приведен в движение. Это свойство - зависимости амплитуды от условий в начале движения - характерно не только для свободных колебаний маятника, но и вообще для свободных колебаний очень многих колебательных систем.

Период колебаний физического маятника зависит от многих обстоятельств: от размеров и формы тела, от расстояния между центром тяжести и точкой подвеса и от распределения массы тела относительно этой точки; поэтому вычисление периода подвешенного тела - довольно сложная задача. Проще обстоит дело для математического маятника. Математическим маятником называется подвешенный к тонкой нити груз, размеры которого много меньше длины нити, а его масса манного больше массы нити. Это значит, что тело (груз) и нить должны быть такими, чтобы груз можно было считать материальной точкой, а нить невесомой. Из наблюдений над подобными маятниками можно установить следующие простые законы.

1. Если, сохраняя одну и ту же длину маятника (расстояние от точки подвеса до центра тяжести груза), подвешивать разные грузы, то период колебаний получится один и тот же, хотя массы грузов сильно различаются. Период математического маятника не зависит от массы груза.

2. Сида, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю.

3. Сила пропорциональна отклонению тела от положения равновесия.

Рис. 5.

4. Если при пуске маятника отклонять его на разные (но не слишком большие) углы, то он будет колебаться с одним и тем же периодом, хотя и с разными амплитудами. Пока не слишком велики амплитуды, колебания достаточно близки по своей форме к гармоническим, и период математического маятника не зависит от амплитуды колебаний. Это свойство называется изохронизмом (от греческих слов «изос» - равный, «хронос» - время).

Впервые этот факт был установлен в 1655 г. Галилеем якобы при следующих обстоятельствах. Галилей наблюдал в Пизанском соборе качания паникадила (в православном храме центральная люстра, светильник со множеством свечей или лампад) на длинной цепи, которое толкнули при зажигании. В течение богослужения размахи качаний постепенно затухали (глава 8), т. е. амплитуда колебаний уменьшалась, но период оставался одним и тем же. В качестве указателя времени Галилей пользовался собственным пульсом.

Это свойство маятника оказалось не только удивительным, но и полезным. Галилей предложил использовать маятник в качестве регулятора в часах. Во времена Галилея часы приводились в действие грузом, а для регулировки хода применялось грубое приспособление типа лопастей ветряной мельницы, которое использовало сопротивление воздуха. Для отсчета равных промежутков времени можно было бы использовать маятник, ибо малые колебания совершаются за то же время, что и большие, вызываемые случайными порывами ветра. Столетие спустя после Галилея часы с маятниковым регулятором вошли в обиход, но мореплаватели по-прежнему нуждались в точных часах для измерения долготы на море. Была объявлена премия за создание таких морских часов, которые позволяли бы измерять время с достаточной точностью. Премию получил Гариссон за хронометр, в котором для регулирования хода использовались маховое колесо (баланс) и специальная пружина.

Выведем теперь формулу для периода колебаний математического маятника.

При качаниях маятника груз движется ускоренно по дуге ВА (рис. 5, а) под действием возвращающейся силы P 1 , которая меняется при движении.

Расчет движения тела под действием непостоянной силы довольно сложен. Поэтому для упрощения поступим следующим образом.

Заставим маятник совершать не колебание в одной плоскости, а описывать конус так, чтобы груз двигался по окружности (рис. 5, б). Это движение может быть получено в результате сложения двух независимых колебаний: одного - по-прежнему в плоскости рисунка и другого - в перпендикулярной плоскости. Очевидно, периоды обоих этих плоских колебаний одинаковы, так как любая плоскость качаний ничем не отличается от всякой другой. Следовательно, и период сложного движения - обращения маятника по конусу - будет тот же, что и период качания в одной плоскости. Этот вывод можно легко иллюстрировать непосредственным опытом, взяв два одинаковых маятника и сообщив одному из них качание в плоскости, а другому - вращение по конусу.

Но период обращения «конического» маятника равен длине описываемой грузом окружности, деленной на скорость:

Если угол отклонения от вертикали невелик (малые амплитуды!), то можно считать, что возвращающаяся сила Р 1 направлена по радиусу окружности ВС, т. е. равна центростремительной силе:

С другой стороны, из подобия треугольников ОВС и DBE следует, что ВЕ: BD=CB: OB. Так как ОВ=l, CB=r, BE=P 1 , то отсюда

Приравняв оба выражения Р 1 друг к другу, мы получаем для скорости обращения

Наконец, подставив это в выражение периода Т, находим

Итак, период математического маятника зависит только от ускорения свободного падения g и от длины маятника l, т. е. расстояния от точки подвеса до центра тяжести груза. Из полученной формулы следует, что период маятника не зависит от его массы и от амплитуды (при условии, что она достаточно мала). Другими словами, получились путем расчета те основные законы, которые были установлены ранее из наблюдений.

Но этот теоретический вывод дает нам больше: он позволяет установить количественную зависимость между периодом маятника, его длиной и ускорением свободного падения. Период математического маятника пропорционален корню квадратному из отношения длины маятника к ускорению свободного падения. Коэффициент пропорциональности равен 2?.

На зависимости периода маятника от ускорения свободного падения основан очень точный способ определения этого ускорения. Измерив длину маятника l и определив из большого числа колебаний период Т, мы можем вычислить с помощью полученной формулы g. Этот способ широко используется не практике.

маятник колебание резонанс координата

ЦЕЛЬ: экспериментально проверить закон сохранения энергии поступательно-вращательного движения на маятнике Максвелла; определить скорость поступательного движения маятника по энергетическим и кинематическим соотношениям и сравнить их.

ОБОРУДОВАНИЕ: маятник Максвелла со сменными кольцами; электронный секундомер.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Наиболее общей мерой движения материи является ее энергия. В механике это механическая энергия, соответствующая механическому движению тел. Различают два вида механической энергии: кинетическую и потенциальную.

Потенциальная энергия . Энергия, определяемаявзаимным расположением взаимодействующих тел и зависящая только от координат, называется потенциальной. РаботаА 12 , совершаемая консервативными силами при переводе системы из одного состояния в другое, равна убыли потенциальной энергии в этих состояниях.

А 12 = W 1 - W 2 , (1)

где W 1 иW 2 соответственно потенциальная энергия системы в состояниях 1 и 2.

Конкретный вид потенциальной энергии зависит от характера силового поля. В поле силы тяжести потенциальная энергия тела массы m имеет вид:

W = m·g·h , (2)

где g ускорение свободного падения;

h  высота, отсчитанная от уровня, где потенциальная энергияW =0.

Кинетическая энергия . Это энергия, которой обладает тело (либо система тел) благодаря их движению. В случае, если тело движется поступательно со скоростьюv и одновременно вращается вокруг некоторой оси с угловой скоростью , то полная кинетическая энергия его движения равна:

где m масса тела;

I момент инерции.

Как видно, при вращательном движении роль линейной скорости играет угловая скорость, а роль массы момент инерции. Момент импульсаI зависит не только от массы, но и от распределения этой массы относительно оси вращения. ЗначениеI для некоторых тел правильной геометрической формы (длинный стержень, диск, шар, цилиндр) приведены в учебниках по курсу общей физики.

Закон сохранения энергии . Механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют консервативные силы остается постоянной. В таких системах при движении тела происходит превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно, а полная энергия остается постоянной. (К консервативным силам относятся гравитационные, упругие, кулоновские и др.. Неконсервативными силами являются силы трения, сопротивления, неупругих деформаций.).

Механическая энергия сохраняется и в незамкнутых системах, если внешние силы не совершают работу, поскольку мерой измерения энергии является совершаемая работа.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Проверка закона сохранения энергии поступательно-вращательного движения тела выполняется на маятнике Максвелла. Маятник Максвелла это диск, закрепленный на оси. Ось, в свою очередь, подвешена на двух нитях, закрепленных верхними концами на кронштейнах.

Эти нити могут наматываться на ось, а при раскручивании их маятник совершает поступательно-вращательное движение, т.е. поднимается и опускается, вращаясь.

В процессе эксперимента выделены два основных состояния. В состоянии 1 маятник массой m находится на высотеh . Механическая энергия системы в этом состоянии равна только потенциальной энергии:

E 1 = W 1 = m·g·h. (4)

Отпустим маятник. Под действием равнодействующей сил тяжести и натяжения нити он начинает падать вниз (поступательное движение), а силы натяжения нитей приведут его во вращательное движение.

Рис. 1. Общий вид маятника Максвелла.

Т - сила натяжения нити;F g - сила тяжести.

В состоянии 2 маятник, опустившийся с высоты h , движется поступательно с скоростьюv, вращаясь при этом вокруг оси, проходящей через центр масс с угловой скоростью .Следовательно, механическая энергия системы в состоянии 2 складывается из кинетических энергий поступательного и вращательного движения:

. (5)

В выделенной системе (маятник в поле сил тяжести) должен выполняться закон сохранения энергии. Сила тяжести консервативная сила. Сила натяжения нити является внешней силой. но она не совершает работы, т.к. ее точка приложения при малом повороте маятника остается на месте. Следовательно:

. (6)

Скорость поступательного движения маятника связана с угловой скоростью соотношением

v = ·r, (7)

где r радиус оси маятника.

Тогда формула (6) примет вид:

2gh = v 2 (1+I/mr 2). (8)

А скорость поступательного движения маятника приобретает значение:

. (9)

Для проверки закона сохранения энергии вычислим скорость другим независимым способом, используя известные кинематические соотношения. Т. к. движение маятника является равноускоренным, то, если за время падения t маятник прошел путьh , его ускорение равно

a = 2h / t 2 . (10)

Отсюда скорость поступательного движения маятника в конце пути:

v = a t = 2h/t. (11)

Скорость в (9) зависит от момента инерции маятника, который можно изменять, устанавливая на диск различные кольца. Момент инерции маятника определяется как

I = I 0 + I Д + I К. (12)

где I 0 - момент инерции оси,

- момент инерции диска,

- момент инерции кольца,

R Д , R К - радиусы диска и кольца.

Радиус кольца берется как среднее значение между внутренним и внешним радиусами. Так как радиус оси маятника значительно меньше радиуса диска, моментом инерции оси можно пренебречь.

Логическая схема метода.

Если скорость, определенная из закона сохранения энергии по соотношению (9) будет равна скорости, определенной кинематически по формуле (11), то это подтверждает сохранение энергии для выделенной системы.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Измерьте время падения маятника с одним из колец, указанных преподавателем.

2. Повторите измерения 5-10 раз.

3. Измерьте высоту падения и высоту подъема маятника.

4. Измерьте штангенциркулем диаметр оси маятника, внутренний и внешний диаметр кольца.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Вычислите среднее значение времени падения и статистическую погрешность измерения t .

2. Рассчитайте скорость v 1 по соотношению (11).

3. Вычислите погрешность измерения скорости  v 1 по правилу вычисления погрешности для косвенных измерений.

4. Вычислите момент инерции маятника с кольцом. Массы диска и кольца нанесены на них.

5. Вычислите скорость маятника v 2 по соотношению (9).

6. Определите меру несовпадения  = (v 1 - v 2 )/ v 1 и сравните с относительной погрешностью v 1 =  v 1 / v 1 .

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Определите потери энергии по разности между высотой падения и последующей высотой подъема маятника.

Вычислите среднюю эффективную силу трения, создающую потери энергии.

КОНТОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие существуют виды механической энергии? Дайте их определения.

2. Сформулируйте закон сохранения механической энергии системы и условия его выполнения.

3. Опишите превращение энергии для маятника Максвелла.

4. Что такое момент инерции тела? Чему равен момент инерции диска, кольца?

5. Как определяется скорость поступательного движения маятника Максвелла?

Повторение

Полная механическая энергия тела

\(W=W_{k} +W_{p1} +W_{p2}, \; \; \; W_{k} =\frac{m\cdot \upsilon ^{2} }{2}, \; \; \; W_{p1} =m\cdot g\cdot h, \; \; \; W_{p2} =\frac{k\cdot \Delta l^{2} }{2},\)

где W k - кинетическая энергия тела в данный момент времени (энергия движения), m - масса тела, υ - значение скорости тела в данный момент времени, W p 1 - потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h , в данный момент времени (энергия взаимодействия), h - высота подъема тела в данный момент времени, W p 2 - потенциальная энергия деформированного тела в данный момент времени, Δl - абсолютное удлинение тела в данный момент времени.

Если в замкнутой системе нет внешних сил (например, силы трения), то полная механическая энергия замкнутой системы сохраняется.

Математический маятник

Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.

При колебаниях математического маятника изменяется высота h грузика относительно положения равновесия и изменяется его скорость υ (рис. 1). Причем при максимальных смещениях высота достигает максимального значения h max , а скорость становится равной нулю, в положении равновесия наоборот: высота тела равна нулю, а скорость достигает максимального значения υ max .

Так как высота тела определяет его потенциальную энергию W p \(\left(W_{p} =m\cdot g\cdot h\right),\) а скорость - кинетическую энергию W k \(\left(W_{k} =\frac{m\cdot \upsilon ^{2}}{2} \right),\) то вместе с изменением высоты и скорости, будут изменяться и энергии.

Обозначения в таблице:

\(W_{p\; \max } = m\cdot g\cdot h_{\max }, \; \; \; W_{p2} =m\cdot g\cdot h_{2}, \; \; \; W_{p4} =m\cdot g\cdot h_{4}, \; \; \; W_{p6} =m\cdot g\cdot h_{6},\)

Mex-majat-2-01.swf Рис. 3 Увеличить Flash

Пружинный маятник

Рассмотрим превращения энергии при колебаниях горизонтального пружинного маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.

При колебаниях пружинного маятника изменяется абсолютное удлинение пружины Δl относительно положения равновесия (т.е. изменяется смещение грузика x = Δl ) и изменяется скорость грузика υ (рис. 3). Причем при максимальных смещениях абсолютное удлинение достигает максимального значения Δl max , а скорость становится равной нулю, в положении равновесия наоборот: абсолютное удлинение равно нулю, а скорость достигает максимального значения υ max .

Так как абсолютное удлинение пружины определяет ее потенциальную энергию W p \(\left(W_{p} =\frac{k\cdot \Delta l^{2}}{2} \right),\) а скорость - кинетическую энергию W k \(\left(W_{k} =\frac{m\cdot \upsilon ^{2}}{2} \right),\) то вместе с изменением абсолютного удлинения и скорости, будут изменяться и энергии.

Обозначения в таблице:

\(W_{p\; \max } =\frac{k\cdot x_{\max }^{2} }{2}, \;\;\; W_{p2} =\frac{k\cdot x_{2}^{2} }{2}, \;\;\; W_{p4} =\frac{k\cdot x_{4}^{2} }{2}, \;\;\; W_{p6} =\frac{k\cdot x_{6}^{2} }{2},\)

\(W_{k\; \max } =\frac{m\cdot \upsilon _{\max }^{2} }{2}, \; \; \; W_{k2} =\frac{m\cdot \upsilon _{2}^{2} }{2}, \; \; \; W_{k4} =\frac{m\cdot \upsilon _{4}^{2} }{2}, \; \; \; W_{k6} =\frac{m\cdot \upsilon _{6}^{2} }{2}.\)

Полная энергия маятника сохраняется с течением времени, поскольку нет силы трения. Тогда

\(W=W_{k\, \max } = W_{p\, \max } = W_{k2} + W_{p2} = W_{k4} +W_{p4} = ...\)

Mex-majat-2-02.swf Рис. 5 Увеличить Flash

Если для вертикального пружинного маятника выбрать систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю, то все описанное выше для горизонтального маятника можно применить для данного маятника.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. Пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В.Жилко, Л.Г.Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 19-21.