Частота свободных колебаний пружинного маятника…
Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы после того, как система была выведена из положения равновесия.
Для того, чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению (см. §2.1):
| . |
В этом соотношении – круговая частота гармонических колебаний. Таким свойством обладает упругая сила в пределах применимости закона Гука:
| . |
Силы любой другой физической природы, удовлетворяющие этому условию, называются квазиупругими .
Таким образом, груз некоторой массы , прикрепленный к пружине жесткости , второй конец которой закреплен неподвижно (рис. 2.2.1), составляют систему, способную в отсутствие трения совершать свободные гармонические колебания. Груз на пружине называют линейным гармоническим осциллятором .
Круговая частота свободных колебаний груза на пружине находится из второго закона Ньютона:
откуда
Частота называется собственной частотой колебательной системы.
Период гармонических колебаний груза на пружине равен
При горизонтальном расположении системы пружина–груз сила тяжести, приложенная к грузу, компенсируется силой реакции опоры. Если же груз подвешен на пружине, то сила тяжести направлена по линии движения груза. В положении равновесия пружина растянута на величину , равную
и колебания совершаются около этого нового положения равновесия. Приведенные выше выражения для собственной частоты и периода колебаний справедливы и в этом случае.
Строгое описание поведения колебательной системы может быть дано, если принять во внимание математическую связь между ускорением тела и координатой : ускорение является второй производной координаты тела по времени :
Поэтому второй закон Ньютона для груза на пружине может быть записан в виде
или
| (*) |
где
Уравнение (*) называется уравнением свободных колебаний . Следует обратить внимание на то, что физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний или период . Такие параметры колебательного процесса, как амплитуда m и начальная фаза , определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени.
Если, например, груз был смещен из положения равновесия на расстояние и затем в момент времени отпущен без начальной скорости, то m = , .
Если же грузу, находившемуся в положении равновесия, с помощью резкого толчка была сообщена начальная скорость то
Таким образом, амплитуда m свободных колебаний и его начальная фаза определяются начальными условиями .
Существует много разновидностей механических колебательных систем, в которых используются силы упругих деформаций. На рис. 2.2.2 показан угловой аналог линейного гармонического осциллятора, совершающий крутильные колебания. Горизонтально расположенный диск висит на упругой нити, закрепленной в его центре масс. При повороте диска на угол возникает момент сил упругой деформации кручения:
| . |
Это соотношение выражает закон Гука для деформации кручения. Величина аналогична жесткости пружины . Второй закон Ньютона для вращательного движения диска записывается в виде (см. §1.23)
где – момент инерции диска относительно оси, проходящий через центр масс, – угловое ускорение.
По аналогии с грузом на пружине можно получить:
Крутильный маятник широко используется в механических часах. Его называют балансиром. В балансире момент упругих сил создается с помощью спиралевидной пружинки.
Формула частоты колебаний пружинного маятника
Частота колебаний ($nu$) является одним из параметров, которые характеризуют колебания Это величина обратная периоду колебаний ($T$):
Таким образом, частотой колебаний называют физическую величину, равную числу повторений колебаний за единицу времени.
где $N$ — число полных колебательных движений; $Delta t$ — время, за которые произошли данные колебания.
Циклическая частота колебаний ($
Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) является герц или обратная секунда:
Пружинный маятник
Пружинным маятником называют систему, которая состоит из упругой пружины, к которой прикреплен груз.
Допустим, что масса груза равна $m$, коэффициент упругости пружины $k$. Масса пружины в таком маятнике обычно не учитывается. Если рассматривать горизонтальные движения груза (рис.1), то он движется под действием силы упругости, если систему вывели из состояния равновесия и предоставили самой себе. При этом часто считают, что силы трения можно не учитывать.
Уравнения колебаний пружинного маятника
Пружинный маятник, который совершает свободные колебания — это пример гармонического осциллятора. Пусть он выполняет колебания вдоль оси X. Если колебания малые, выполняется закон Гука, то уравнение движения груза запишем как:
где $
где $
Частота колебаний пружинного маятника
Из формулы (3) и $
Формула (6) справедлива в случае, если:
- пружина в маятнике считается невесомой;
- груз, прикрепленный к пружине, является абсолютно твердым телом;
- крутильные колебания отсутствуют.
Выражение (6) показывает, что частота колебаний пружинного маятника увеличивается с уменьшением массы груза и увеличением коэффициента упругости пружины. Частота колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды. Если колебания не являются малыми, сила упругости пружины не подчиняется закону Гука, то появляется зависимость частоты колебаний от амплитуды.
Примеры задач с решением
Задание. Период колебаний пружинного маятника составляет $T=5cdot <10>^<-3>с$. Чему равна частота колебаний в этом случае? Какова циклическая частота колебаний этого груза?
Решение. Частота колебаний — это величина обратная периоду колебаний, следовательно, для решения задачи достаточно воспользоваться формулой:
Вычислим искомую частоту:
Циклическая частота связана с частотой $nu $ как:
Вычислим циклическую частоту:
[
Ответ. $1) nu =200$ Гц. 2) $
Задание. Массу груза, висящего на упругой пружине (рис.2), увеличивают на величину $Delta m$, при этом частота уменьшается в $n$ раз. Какова масса первого груза?
Решение. Будем считать, что грузы на пружине совершают свободные гармонические колебания, тогда за основу решения задачи примем формулу:
Для первого груза частота будет равна:
Для второго груза:
Получим из уравнения (2.3) искомую массу груза. Для этого обе части выражения (2.3) возведем в квадрат и выразим $m$:
Свободные колебания. Пружинный маятник
Свободные колебания могут совершаться под действием внутренних сил только после выведения из положения равновесия всей системы.
Чтобы колебания совершались согласно гармоническому закону, нужно, чтобы сила, возвращающая тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из равновесного положения и направлена в сторону, противоположную смещению.
F ( t ) = m a ( t ) = — m ω 2 x ( t ) .
Соотношение говорит о том, что ω является частотой гармонического колебания. Данное свойство характерно для упругой силы в пределах применимости закона Гука:
Силы любой природы, которые удовлетворяют условию, называют квазиупругими.
То есть груз с массой m , прикрепляющийся к пружине жесткости k с неподвижным концом, изображенным на рисунке 2 . 2 . 1 , составляют систему, способную совершать гармонические свободные колебания при отсутствии силы трения.
Груз, располагаемый на пружине, называют линейным гармоническим осциллятором.
Рисунок 2 . 2 . 1 . Колебания груза на пружине. Трения нет.
Круговая частота
Нахождение круговой частоты ω 0 производится с помощью применения формулы второго закона Ньютона:
m a = — k x = m ω 0 2 x .
Частоту ω 0 называют собственной частотой колебательной системы.
Определение периода гармонических колебаний груза на пружине Т находится из формулы:
T = 2 π ω 0 = 2 π m k .
Горизонтальное расположение системы пружина-груз, сила тяжести компенсируется силой реакции опоры. При подвешивании груза на пружину направление силы тяжести идет по линии движения груза. Положение равновесия растянутой пружины равняется:
x 0 = m g k , тогда как колебания выполняются около нового равновесного состояния. Формулы собственной частоты ω 0 и периода колебаний Т в вышеуказанных выражениях являются справедливыми.
При имеющейся математической связи между ускорением тела а и координатой х поведение колебательной системы характеризуется строгим описанием: ускорение является второй производной координаты тела х по времени t :
Описание второго закона Ньютона с грузом на пружине запишется как:
m a — m x = — k x , или x ¨ + ω 0 2 x = 0 , где свободная частота ω 0 2 = k m .
Если физические системы зависят от формулы x ¨ + ω 0 2 x = 0 , тогда они в состоянии совершать свободные колебательные гармонические движения с различной амплитудой. Это возможно, так как применяется x = x m cos ( ω t + φ 0 ) .
Свободные колебания
Уравнение вида x ¨ + ω 0 2 x = 0 получило название уравнения свободных колебаний. Их физические свойства могут определять только собственную частоту колебаний ω 0 или период Т .
Амплитуда x m и начальная фаза φ 0 находят при помощи способа, который вывел их из состояния равновесия начального момента времени.
При наличии смещенного груза из положения равновесия на расстояние ∆ l и моменте времени, равном t = 0 , производится его опускание без начальной скорости. Тогда x m = ∆ l , φ 0 = 0 . Если груз находился в положении равновесия, то при толчке передается начальная скорость ± υ 0 , отсюда x m = m k υ 0 , φ 0 = ± π 2 .
Амплитуда x m с начальной фазой φ 0 определяются наличием начальных условий.
Рисунок 2 . 2 . 2 . Модель свободных колебаний груза на пружине.
Механические колебательные системы отличаются наличием сил упругих деформаций в каждой из них. Рисунок 2 . 2 . 2 показывает угловой аналог гармонического осциллятора, совершающий крутильные колебания. Диск располагается горизонтально и висит на упругой нити, закрепленной в его центре масс. Если его повернуть на угол θ , тогда возникает момент силы упругой деформации кручения M у п р :
Данное выражение не соответствует закону Гука для деформации кручения. Величина x аналогична k жесткости пружины. Запись второго закона Ньютона для вращательного движения диска принимает вид
I ε = M у п р = — x θ или I θ ¨ = — x θ , где моментом инерции обозначается I = I C , а ε – угловое ускорение.
Аналогично с формулой пружинного маятника:
ω 0 = x I , T = 2 π I x .
Применение крутильного маятника замечено в механических часах. Он получил название балансира, в котором создание момента упругих сил производится при помощи спиралевидной пружины.
Формула циклической частоты свободных колебаний пружинного маятника
Маятник на пружине — механическая система, состоящая из пружины с коэффициентом упругости (жёсткостью) k (закон Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на втором находится груз массы m.
Период колебаний пружинного маятника может быть вычислен по следующей формуле:
T = 2 π m k
Когда на массивное тело действует упругая сила, возвращающая его в положение равновесия, оно совершает колебания около этого положения. Такое тело называют пружинным маятником. Колебания возникают под действием внешней силы. Колебания, которые продолжаются после того, как внешняя сила перестала действовать, называют свободными. Колебания, обусловленные действием внешней силы, называют вынужденными. При этом сама сила называется вынуждающей.
В простейшем случае пружинный маятник представляет собой движущееся по горизонтальной плоскости твердое тело, прикрепленное пружиной к стене.
Второй закон Ньютона для такой системы при условии отсутствия внешних сил и сил трения имеет вид:
m a = − k x ⟺ x ¨ + k m x = 0
Если на систему оказывают влияние внешние силы, то уравнение колебаний перепишется так:
x ¨ + k m x = f ( x )
В случае наличия затухания, пропорционального скорости колебаний с коэффициентом c:
x ¨ + c m x ˙ + k m x = f ( x )
Свойства пружинного маятника
Идеальный пружинный маятник представляет собой пружину, массой которой можно пренебречь, с закрепленным на ней телом с точечной массой. При этом один или оба конца пружины закреплены, а силой трения можно пренебречь.
Такую конструкцию можно рассматривать лишь как математическую модель. Примерами реальных пружинных маятников (навитых из упругой проволоки цилиндрических спиралей) могут служить всевозможные устройства, гасящие колебания: амортизаторы, подвески, рессоры и т.п. Пружинные маятники, хотя и несколько иной конструкции (в виде плоских спиралей) используются в механических часах.
Свойства пружин зависят от вещества, из которого они изготовлены (как правило, это особая пружинная сталь), диаметра проволоки, формы ее сечения, диаметра цилиндра пружины, его длины. Эти показатели в совокупности обуславливают ключевую характеристику пружины – ее жесткость.
Пружина запасает энергию при продольном растяжении или сжатии за счет упругих деформаций в кристаллической решетке своего вещества.
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
При слишком сильном растяжении или сжатии материал пружины теряет упругие свойства. Такая деформация называется пластической или остаточной.
Формула для расчета частоты колебаний
Если пружину с закрепленной на ней грузом, подвергнуть продольной упругой деформации, а затем отпустить, она начнет совершать возвратно-поступательные гармонические колебания, в ходе которых перемещение закрепленного на ней груза описывается формулой:
$x = A cdot cos(omega_0 cdot t + phi)$
Здесь $A$ – амплитуда колебаний, $phi$ – начальная фаза, $omega_0$ – собственная циклическая частота колебаний пружинного маятника, рассчитываемая как
- $k$ – жесткость пружины,
- $m$ – масса закрепленного на ней тела.
Циклическая частота отличается тем, что характеризует не количество полных циклов за единицу времени, а количество «пройденных» колеблющейся по гармоническому закону точкой радиан.
Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!
Период колебаний пружинного маятника вычисляется как
$T = 2 cdot pi cdot sqrt
Найти частоту и циклическую частоту пружинного маятника, период колебаний которого составляет 0,1 с.
Частоту можно найти как величину обратную к периоду:
Циклическую частоту можно выразить как
$omega_0 = 2 cdot pi cdot f$
$omega_0 = 2 cdot 3,1415927 cdot 10 approx 62,831854 frac<рад><с>$
Ответ: 10 герц и $approx$ 62,831854 радиан в секунду.
Так и не нашли ответ
на свой вопрос?
Просто напиши с чем тебе
нужна помощь
Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы после того, как система была выведена из положения равновесия.
Для того, чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению (см. §2.1):
В этом соотношении – круговая частота гармонических колебаний. Таким свойством обладает упругая сила в пределах применимости закона Гука:
Силы любой другой физической природы, удовлетворяющие этому условию, называются квазиупругими .
Таким образом, груз некоторой массы , прикрепленный к пружине жесткости , второй конец которой закреплен неподвижно (рис. 2.2.1), составляют систему, способную в отсутствие трения совершать свободные гармонические колебания. Груз на пружине называют линейным гармоническим осциллятором .
| Рисунок 2.2.1. |
Круговая частота свободных колебаний груза на пружине находится из второго закона Ньютона:
Частота называется собственной частотой колебательной системы.
Период гармонических колебаний груза на пружине равен
При горизонтальном расположении системы пружина–груз сила тяжести, приложенная к грузу, компенсируется силой реакции опоры. Если же груз подвешен на пружине, то сила тяжести направлена по линии движения груза. В положении равновесия пружина растянута на величину , равную
и колебания совершаются около этого нового положения равновесия. Приведенные выше выражения для собственной частоты и периода колебаний справедливы и в этом случае.
Строгое описание поведения колебательной системы может быть дано, если принять во внимание математическую связь между ускорением тела и координатой : ускорение является второй производной координаты тела по времени :
Поэтому второй закон Ньютона для груза на пружине может быть записан в виде
Все физические системы (не только механические), описываемые уравнением (*), способны совершать свободные гармонические колебания, так как решением этого уравнения являются гармонические функции вида
Уравнение (*) называется уравнением свободных колебаний . Следует обратить внимание на то, что физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний или период . Такие параметры колебательного процесса, как амплитуда m и начальная фаза , определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени.
Если, например, груз был смещен из положения равновесия на расстояние и затем в момент времени отпущен без начальной скорости, то m = , .
Если же грузу, находившемуся в положении равновесия, с помощью резкого толчка была сообщена начальная скорость то
Таким образом, амплитуда m свободных колебаний и его начальная фаза определяются начальными условиями .
Существует много разновидностей механических колебательных систем, в которых используются силы упругих деформаций. На рис. 2.2.2 показан угловой аналог линейного гармонического осциллятора, совершающий крутильные колебания. Горизонтально расположенный диск висит на упругой нити, закрепленной в его центре масс. При повороте диска на угол возникает момент сил упругой деформации кручения:
Это соотношение выражает закон Гука для деформации кручения. Величина аналогична жесткости пружины . Второй закон Ньютона для вращательного движения диска записывается в виде (см. §1.23)
где – момент инерции диска относительно оси, проходящий через центр масс, – угловое ускорение.
По аналогии с грузом на пружине можно получить:
Крутильный маятник широко используется в механических часах. Его называют балансиром. В балансире момент упругих сил создается с помощью спиралевидной пружинки.
