Учебник. Свободные колебания. Математический маятник



Свободные колебания. Математический маятник

Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела. В положении равновесия, когда маятник висит по отвесу, сила тяжести m g уравновешивается силой натяжения нити F упр . При отклонении маятника из положения равновесия на некоторый угол φ появляется касательная составляющая силы тяжести Fτ = –mg sin φ (рис. 2.3.1). Знак «минус» в этой формуле означает, что касательная составляющая направлена в сторону, противоположную отклонению маятника.

Математический маятник. φ – угловое отклонение маятника от положения равновесия, x = lφ – смещение маятника по дуге

Если обозначить через x линейное смещение маятника от положения равновесия по дуге окружности радиуса l, то его угловое смещение будет равно φ = x / l. Второй закон Ньютона, записанный для проекций векторов ускорения и силы на направление касательной, дает: m a τ = F τ =-mgsin x l .

Это соотношение показывает, что математический маятник представляет собой сложную нелинейную систему, так как сила, стремящаяся вернуть маятник в положение равновесия, пропорциональна не смещению x, а sin  x l .

Только в случае малых колебаний, когда приближенно sin  x l можно заменить на x l , математический маятник является гармоническим осциллятором, т. е. системой, способной совершать гармонические колебания. Практически такое приближение справедливо для углов порядка 15–20°; при этом величина sin  x l отличается от x l не более чем на 2 %. Колебания маятника при больших амплитудах не являются гармоническими.

Для малых колебаний математического маятника второй закон Ньютона записывается в виде m a τ =-m g l x.

Таким образом, тангенциальное ускорение aτ маятника пропорционально его смещению x, взятому с обратным знаком. Это как раз то условие, при котором система является гармоническим осциллятором. По общему правилу для всех систем, способных совершать свободные гармонические колебания, модуль коэффициента пропорциональности между ускорением и смещением из положения равновесия равен квадрату круговой частоты: ω 0 2 = g l ;    ω 0 = g l .

Эта формула выражает собственную частоту малых колебаний математического маятника.

Следовательно, T= 2π ω 0 =2π l g .

Математический маятник

Любое тело, насаженное на горизонтальную ось вращения, способно совершать в поле тяготения свободные колебания и, следовательно, также является маятником. Такой маятник принято называть физическим (рис. 2.3.2). Он отличается от математического только распределением масс. В положении устойчивого равновесия центр масс C физического маятника находится ниже оси вращения О на вертикали, проходящей через ось. При отклонении маятника на угол φ возникает момент силы тяжести, стремящийся возвратить маятник в положение равновесия: M = –(mg sin φ) d.

Здесь d – расстояние между осью вращения и центром масс C.

Физический маятник

Знак «минус» в этой формуле, как обычно, означает, что момент сил стремится повернуть маятник в направлении, противоположном его отклонению из положения равновесия. Как и в случае математического маятника, возвращающий момент M пропорционален sin φ. Это означает, что только при малых углах φ, когда sin φ ≈ φ, физический маятник способен совершать свободные гармонические колебания. В случае малых колебаний M = –m g dφ. и второй закон Ньютона для физического маятника принимает вид (см. §1.23) I ε = M = –m g dφ. где ε – угловое ускорение маятника, I – момент инерции маятника относительно оси вращения O. Модуль коэффициента пропорциональности между ускорением и смещением равен квадрату круговой частоты: ω 0 2 = mgd I   или   ω 0 = mgd I .

Здесь ω0 – собственная частота малых колебаний физического маятника.

Следовательно, T= 2π ω 0 =2π I mgd .

Более строгий вывод формул для ω0 и T можно сделать, если принять во внимание математическую связь между угловым ускорением и угловым смещением: угловое ускорение ε есть вторая производная углового смещения φ по времени: ε (t)= φ ċċ  (t).

Поэтому уравнение, выражающее второй закон Ньютона для физического маятника, можно записать в виде φ ċċ + mgd I φ=0.

Это уравнение свободных гармонических колебаний (см. уравнение (*) §2.2). Коэффициент mgd I в этом уравнении имеет смысл квадрата круговой частоты свободных гармонических колебаний физического маятника.

По теореме о параллельном переносе оси вращения (теорема Штейнера) момент инерции I можно выразить через момент инерции IC относительно оси, проходящей через центр масс C маятника и параллельной оси вращения: I = IC + md2.

Окончательно для круговой частоты ω0 свободных колебаний физического маятника получается выражение: ω 0 = mgd I C +m d 2 .





 

больница ринопластика amoriya.ru .
amoriya.ru
© Физикон, 1999-2015