Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

I. Механика

Видео:Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.Скачать

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.

Тестирование онлайн

Видео:Урок 330. Скорость и ускорение при гармонических колебанияхСкачать

Урок 330. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях

Гармоническое колебание

Это периодическое колебание, при котором координата, скорость, ускорение, характеризующие движение, изменяются по закону синуса или косинуса.

Видео:Выполнялка 53.Гармонические колебания.Скачать

Выполнялка 53.Гармонические колебания.

График гармонического колебания

График устанавливает зависимость смещения тела со временем. Установим к пружинному маятнику карандаш, за маятником бумажную ленту, которая равномерно перемещается. Или математический маятник заставим оставлять след. На бумаге отобразится график движения.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Графиком гармонического колебания является синусоида (или косинусоида). По графику колебаний можно определить все характеристики колебательного движения.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Видео:КОЛЕБАНИЯ физика 9 класс решение задачСкачать

КОЛЕБАНИЯ физика 9 класс решение задач

Уравнение гармонического колебания

Уравнение гармонического колебания устанавливает зависимость координаты тела от времени

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

График косинуса в начальный момент имеет максимальное значение, а график синуса имеет в начальный момент нулевое значение. Если колебание начинаем исследовать из положения равновесия, то колебание будет повторять синусоиду. Если колебание начинаем рассматривать из положения максимального отклонения, то колебание опишет косинус. Или такое колебание можно описать формулой синуса с начальной фазой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении.

Видео:5.4 Уравнение гармонических колебанийСкачать

5.4 Уравнение гармонических колебаний

Изменение скорости и ускорения при гармоническом колебании

Не только координата тела изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Но и такие величины, как сила, скорость и ускорение, тоже изменяются аналогично. Сила и ускорение максимальные, когда колеблющееся тело находится в крайних положениях, где смещение максимально, и равны нулю, когда тело проходит через положение равновесия. Скорость, наоборот, в крайних положениях равна нулю, а при прохождении телом положения равновесия — достигает максимального значения.

Если колебание описывать по закону косинуса

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Если колебание описывать по закону синуса

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Видео:МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ период колебаний частота колебанийСкачать

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ период колебаний частота колебаний

Максимальные значения скорости и ускорения

Проанализировав уравнения зависимости v(t) и a(t), можно догадаться, что максимальные значения скорость и ускорение принимают в том случае, когда тригонометрический множитель равен 1 или -1. Определяются по формуле

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Видео:Гармонические колебания | Физика 9 класс #25 | ИнфоурокСкачать

Гармонические колебания | Физика 9 класс #25 | Инфоурок

Как получить зависимости v(t) и a(t)

Формулы зависимостей скорости от времени и ускорения от времени можно получить математически, зная зависимость координаты от времени. Аналогично равноускоренному движению, зависимость v(t) — это первая производная x(t). А зависимость a(t) — это вторая производная x(t).

При нахождении производной предполагаем, что переменной (то есть x в математике) является t, остальные физические величины воспринимаем как постоянные.

Видео:Уравнения и графики механических гармонических колебаний. Практ. часть - решение задачи. 11 класс.Скачать

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. Практ. часть - решение задачи. 11 класс.

Гармонические колебания в физике — формулы и определение с примерами

Содержание:

Гармонические колебания:

Некоторые движения, встречающиеся в быту, за равные промежутки времени повторяются. Такое движение называется периодическим движением. Часто встречается движение, при котором тело перемещается то в одну, то в другую сторону относительно равновесного состояния. Такое движение тела называется колебательным движением или просто колебанием.

Колебания, совершаемые телом, которое выведено из равновесного состояния в результате действия внутренних сил, называются собственными (свободными) колебаниями. Величина удаления от равновесного состояния колеблющегося тела называется его смещением (Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Для наблюдения механических колебаний ознакомимся с колебаниями груза, закрепленного на конце пружины (рис. 5.1). На этом рисунке груз, закрепленный на пружине, сможет двигаться без трения с горизонтальным стержнем, так как силу тяжести шарика приводит в равновесие реакционная сила стержня.
Коэффициент упругости пружины – Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении, а ее масса ничтожна мала и можно ее не учитывать. Считаем, что масса системы сосредоточена в грузе, а упругость в пружине.

Если груз, который находится в равновесии, потянем вправо на расстояние Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии отпустим, то под действием силы упругость, которая появляется в пружине, груз смещается в
сторону равновесного состояния.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

С течением времени смещение груза уменьшается относительно Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении, но скорость груза при этом увеличивается. Когда груз доходит до равновесного состояния, его смещение (Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении) равняется нулю и соответственно сила упругости равняется нулю. Но груз по инерции начинает двигаться в левую сторону. Модуль силы упругости, которая появляется в пружине, тоже растет. Однако из-за того, что сила упругости постоянно направлена против смещения груза, она начинает тормозить груз. В результате движение груза замедляется, и, в результате, прекращается. Теперь груз под воздействием эластической силы сжатой пружины начинает двигаться в сторону равновесного состояния.
Для определения закономерности изменения в течение времени системы, которая периодически совершает колебания, заполним воронку песком, подвесим на веревке, подложим бумагу под систему и раскачаем воронку. В ходе колебания начинаем равномерно вытягивать бумагу из-под системы. В результате мы увидим, что следы песка на бумаге образуют синусоиду. Из этого можно сделать следующий вывод: смещение периодически колеблющегося тела по истечении времени изменяется по закону синусов и косинусов. При этом самое большое значение смещения равняется амплитуде (Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении):

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

здесь: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении– циклическая частота, зависящая от параметров колеблющихся систем, Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении– начальная фаза, (Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении) фаза колебания с течением времени Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении.
Из математики известно, что Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениипоэтому формулу (5.2.) можно записать в виде

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Колебания, в которых с течением времени параметры меняются по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями.

Значит, пружинный маятник, вышедший из равновесного состояния, совершает гармоническое колебание. Для того чтобы система совершала гармоническое колебание: 1) при выходе тела из равновесного состояния, для возвращения его в равновесное состояние должна появиться внутренняя сила; 2) колеблющееся тело должно обладать инертностью и на него не должны оказывать воздействие силы трения и сопротивления. Эти условия называется условиями проявления колебательных движений.

Видео:Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 1 часть. 9 класс.Скачать

Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 1 часть. 9 класс.

Основные параметры гармонических колебаний

a) период колебания Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении– время одного полного колебания:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении)

б) частота колебания Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении– количество колебаний, совершаемых за 1 секунду:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Единица Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
c) циклическая частота Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении– количество колебаний за Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениисекунд:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

С учетом формул (5.5) и (5.6) уравнение гармонических колебаний (5.2) можно записать в следующей форме.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Большинство величин, количественно описывающих гармонические колебания, смещения которых с течением времени меняются по закону синусов или косинусов (скорость, ускорение, кинетическая и потенциальная энергия), тоже гармонически меняются.
Это подтверждается следующими графиками и уравнениями:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Пример решения задачи:

Точка совершает гармоническое колебательное движение. Максимальное смещение и скорость соответственно равны 0,05 м и 0,12 м/с. Найдите максимальное ускорение и скорость колебательного движения, а также ускорение точки в момент, когда смещение равно 0,03 м.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Формула и решение:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Видео:Урок 327. Гармонические колебанияСкачать

Урок 327. Гармонические колебания

Гармонические колебания пружинного маятника

В 1985 году в городе Мехико произошла ужасная катастрофа, причина которой было землетрясение: 5526 человек погибли, 40 ООО человек ранены, 31000 человек остались без крова. Из проведенных затем исследований ученые выяснили, что главной причиной разрушений во время землетрясения является совпадение частоты свободных колебаний зданий с частотой вынужденных колебаний Земли. Поэтому при возведении новых зданий в сейсмически активной зоне необходимо, чтобы эти частоты не совпадали. Это даст возможность уменьшить последствия землетрясения. С этой целью важно знать, от чего зависят частота и период колебаний.

Одной из простейших колебательных систем, совершающих гармонические колебания, является пружинный маятник.

Пружинный маятник — это колебательная система, состоящая из пружины и закрепленного на ней тела. Колебания, возникающие в пружинном маятнике, являются гармоническими колебаниями:

Под гармоническими колебаниями подразумеваются колебания, возникающие под действием силы, прямо пропорциональной перемещению и направленной против направления перемещения.

Исследование колебаний пружинного маятника имеет большое практическое значение, например, при вычислении колебаний рессор автомобиля при езде; в исследовании воздействия колебаний на фундамент зданий и тяжелых станков, в определении эластичности ушных перепонок при диагностике лор-заболеваний. По этой причине изучение колебаний пружинного маятника является актуальной проблемой.

С целью уменьшения количества сил, действующих на колебательную систему, целесообразно использовать горизонтально расположенную колебательную систему пружина-шарик (d).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

В этой системе действия силы тяжести и реакции опоры уравновешивают друг друга. При выведении шарика из состоянии равновесия, например, при растяжении пружины до положения Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениисила упругости, возникающая в ней, сообщает шарику ускорение и приводит его в колебательное движение. По II закону Ньютона уравнение движения маятника можно записать так:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Формула (4.9) является уравнением свободных гармонических колебаний пружинного маятника.

Где Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— масса шарика, закрепленного на пружине, Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— проекция ускорения шарика вдоль оси Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— жесткость пружины, Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении-удлинение пружины, равное амплитуде колебания. Для данной колебательной системы отношение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— постоянная положительная величина (так как масса и жесткость не могут быть отрицательными). При сравнении уравнения колебаний (4.9) пружинного маятника с выражением для другого вида периодического движения — известным выражением центростремительного ускорения при равномерном движении по окружности получается, что отношение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениисоответствует квадрату циклической частоты Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, уравнение движения пружинного маятника можно записать и так:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение (4.12) показывает, что колебания пружинного маятника с циклической частотой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииявляются свободными гармоническими колебаниями. Из математики известно, что решением этого уравнения является:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Так как тригонометрическая функция является гармонической функцией, то и колебания пружинного маятника являются гармоническими колебаниями.

Здесь Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениифаза колебания, Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— начальная фаза. Единица измерения фазы в СИ — радиан (1 рад). Фазу также можно измерять в градусах: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииЗначение начальной фазы зависит от выбора начального момента времени. Начальный момент времени можно выбрить так, чтобы Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииВ этом случае формулу гармонических колебаний пружинного маятника можно записать так:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииили Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Из сравнения выражений (4.11) и (4.5) определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний пружинного маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Из выражений (4.14) и (4.15) видно, что период и частота пружинного маятника зависят от жесткости пружины и массы груза, подвешенного к нему.

Видео:ФИЗИКА 10 класс : Механическое движение | Материальная точка, траектория, перемещение.Скачать

ФИЗИКА 10 класс : Механическое движение | Материальная точка, траектория, перемещение.

Гармонические колебания математического маятника

До наших дней дошла такая историческая информация: однажды в 1583 году итальянский ученый Г. Галилей, находясь в храме города Пиза, обратил внимание на колебательное движение люстры, подвешенной на длинном тросе. Он, сравнивая колебания люстры со своим пульсом, определил, что, несмотря на уменьшение амплитуды колебания, время, затрачиваемое на одно полное колебание (период колебания) люстры, не изменяется. Затем Галилей в результате многочисленных проведенных исследований, изменяя длину нитевого маятника, массу подвешенного к нему груза, высоту расположения маятника (по сравнению с уровнем моря), определил, от чего зависят период и частота колебаний маятника.

Гармонические колебания возникают также под действием силы тяжести. Это можно наблюдать с помощью математического маятника.

Математический маятник — это идеализированная колебательная система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити.

Для исследования колебаний математического маятника можно использовать систему, состоящую из тонкой длинной нити и шарика (b).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Сила тяжести Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениидействующая на шарик в положении равновесия маятника, уравновешивается силой натяжения нити Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииОднако, если вывести маятник из состояния равновесия, сместив его на малый угол Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив сторону, то возникают две составляющие вектора силы тяжести -направленная вдоль нити Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии перпендикулярная нити Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииСила натяжения Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии составляющая силы тяжести Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииуравновешивают друг друга. Поэтому равнодействующая сила будет равна составляющей Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении«пытающейся» вернуть тело в положение равновесия (см.: рис. b). Учитывая вышеуказанное и ссылаясь на II закон Ньютона, можно написать уравнение колебательного движения тела массой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив проекциях на ось ОХ:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Приняв во внимание, что:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Для уравнения движения математического маятника получим:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Где Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— длина математического маятника (нити), Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— ускорение свободного падения, Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— амплитуда колебания.

Для данной колебательной системы отношение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— постоянная положительная величина, потому что ускорение свободного падения и длина нити не могут быть отрицательными. Если сравнить уравнения (4.16) и (4.10), с легкостью можно увидеть, что отношение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениитакже соответствует квадрату циклической частоты Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, уравнение движения математического маятника можно записать и так:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение (4.19) показывает, что колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями с циклической частотой со. Из математики вы знаете, что решением этого уравнения является нижеприведенная функция:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Так как эта функция является гармонической, то и колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями.

Отсюда определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний математического маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, период и частота колебаний математического маятника зависят от длины маятника и напряженности гравитационного поля в данной точке.

Скорость и ускорение при гармонических колебаниях

Вы уже знакомы с основными тригонометрическими функциями и умеете строить графики тригонометрических уравнений, описывающих гармонические колебания.

При гармонических колебаниях маятника его смещение изменяется по гармоническому закону, поэтому не трудно доказать, что его скорость и ускорение также изменяются по гармоническому закону. Предположим, что смещение изменяется по закону косинуса и начальная фаза равна нулю

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Так как скорость является первой производной смещения (координат) по времени, то:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Как видно из выражения (4.23), скорость, изменяющаяся по гармоническому закону, опережает колебания смещения по фазе на Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(а).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Максимальное (амплитудное) значение скорости зависит от амплитуды, частоты и периода колебаний:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Так как ускорение является первой производной скорости по времени, то получим:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Как видим, колебания ускорения, изменяющегося по гармоническому закону, опережают колебания скорости по фазе на Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииа колебания смещения на

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(см.: рис. а). Максимальное (амплитудное) значение ускорения зависит от амплитуды, частоты и периода колебаний:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Превращения энергии при гармонических колебаниях

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Теоретический материал

Потенциальная и кинетическая энергия свободных гармонических колебаний в замкнутой системе периодически превращаются друг в друга.

В таблице 4.4 дано сравнение превращений энергий в пружинном и математическом маятниках. Как видно из таблицы, потенциальная энергия колебательной системы в точке возвращения Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииимеет максимальное значение:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Если же маятник находится в точке равновесия, потенциальная энергия минимальна:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Кинетическая энергия системы, наоборот, в точке возвращения минимальна Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииа в точке равновесия максимальна:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

На рисунке (а) даны графики зависимости потенциальной и кинетической энергии при гармоническом колебательном движении от смещения.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Полная механическая энергия замкнутой колебательной системы в произвольный момент времени Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииостается постоянной (трение не учитывается):

a) для пружинного маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

b) для математического маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Если принять во внимание изменение смещения и скорости по гармоническому закону в формулах потенциальной и кинетической энергии колебательного движения, то станет очевидно, что при гармонических колебаниях эти энергии так же изменяются по гармоническому закону (b):

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Как было отмечено выше, полная энергия системы не изменяется по гармоническому закону:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Полная энергия гармонических колебаний прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

Если же в системе существует сила трения, то его полная энергия не сохраняется — изменение полной механической энергии равно работе силы трения. В результате колебания затухают: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Превращения энергии при гармонических колебаниях

Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергий. Кинетической энергией тело обладает вследствие своего движения, а потенциальная энергия определяется взаимодействием тела с другими телами или полями. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.

Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силу трения не учитывают, то его механическая энергия сохраняется.

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

При отклонении маятника на угол а (рис. 7), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Рис. 7. Превращения энергии при колебаниях математического маятника

Поскольку при прохождении положения равновесия его потенциальная энергия равна нулю, то кинетическая энергия (а следовательно, и скорость) будет максимальна:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Из закона сохранения механической энергии следует (рис. 8), что

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(1)

Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(2)

Высоту Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииможно выразить через длину маятника l и амплитуду колебаний А.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Если колебания малые, то Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииИз треугольника KCD на рисунке 8 находим

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Подставив выражение для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив формулу I (2), получим

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Подставляя выражения для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив соотношение (1), находим

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную.

В любом промежуточном положении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 9). В крайних точках, когда координата груза принимает значение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении, модуль его скорости равен нулю (v = 0) и кинетическая энергия груза полностью переходит в потенциальную энергию деформированной пружины:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, получаем, что механическая энергия гармонического осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

В положении равновесия, когда x = 0, вся энергия осциллятора переходит в кинетическую энергию груза:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

где Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— модуль максимальной скорости груза при колебаниях.

В промежуточных точках полная механическая энергия

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Отсюда можно вывести выражение для модуля скорости Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениигруза в точке с

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Так как Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Энергия при гармонических колебаниях

Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергии. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.

Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силой трения пренебрегают, то его механическая энергия сохраняется. Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.

При отклонении маятника на угол Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(рис. 10), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Поскольку при прохождении положения равновесия потенциальная энергия равна нулю Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениито из закона сохранения механической энергии следует (см. рис. 10), что Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениит. е. кинетическая энергия маятника (а следовательно, и скорость) рис. ю. Определение^иhmax будет максимальна:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Запишем закон сохранения механической энергии, подставив в него выражения для потенциальной и кинетической энергии:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Высоту Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииможно выразить через длину Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениимаятника и амплитуду Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииколебаний. Если колебания малые, то Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииИз Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении(см. рис. 10) находим:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

или Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Подставив выражение (3) для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив формулу (2), получим:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Подставляя выражения (3) для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии (4) для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив соотношение (1), находим:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную (рис. 11). В любом промежуточном положении
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 12).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

В крайних положениях, когда Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениимодуль скорости маятника Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии кинетическая энергия груза полностью переходит в потенциальную энергию деформированной пружины:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, из соотношения (6) следует, что механическая энергия пружинного маятника пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

В положении равновесия, когда Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениився энергия пружинного маятника переходит в кинетическую энергию груза:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

где Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении— модуль максимальной скорости груза при колебаниях.

В положениях между крайними точками полная энергия

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

С учетом выражений для координаты Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии проекции скорости груза Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииа также для Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениинаходим его потенциальную энергию Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии кинетическую энергию Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениив произвольный момент времени

Тогда полная механическая энергия пружинного маятника в этот же. момент времени есть величина постоянная и равная:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, начальное смещение Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииопределяет начальную потенциальную, а начальная скорость Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииопределяет начальную кинетическую энергию колеблющегося тела. При отсутствии в системе потерь энергии процесс колебаний сопровождается только переходом энергии из потенциальной в кинетическую и обратно.

Заметим, что частота периодических изменений кинетической (потенциальной) энергии колеблющегося тела в два раза больше частоты колебаний маятника. Действительно, дважды за период механическая энергия тела будет полностью превращаться в потенциальную (в двух крайних положениях маятника) и дважды за период — в кинетическую (при его прохождении через положение равновесия) (рис. 13).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Пример №1

Математический маятник при колебаниях от одного крайнего положения до другого смещается на расстояние Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениисм и при прохождении положения равновесия достигает скорости, модуль которой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииОпределите период Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииколебании маятника.
Дано:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Решение

По закону сохранения механической энергии

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Ответ: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Пример №2

Груз массой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииг находится на гладкой горизонтальной поверхности и закреплен на легкой пружине жесткостью Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииЕго смешают на расстояние Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениисм от положения равновесия и сообщают в направлении от положения равновесия скорость, модуль которой Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииОпределите потенциальную Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениии кинетическую Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииэнергию груза в начальный момент времени. Запишите кинематический закон движения груза.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Решение Потенциальная энергия груза:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Кинетическая энергия груза:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Начальное смещение груза не является амплитудой, так как вместе с начальным отклонением грузу сообщили и скорость. Однако полная энергия может быть выражена через амплитуду колебаний:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Отсюда
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Циклическая частота:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
В начальный момент времени Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движениикоордината груза Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииОтсюда начальная фаза:
Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении
Тогда закон гармонических колебаний имеет вид (рис. 14):

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Ответ: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движенииУравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Физика
  2. Атомная физика
  3. Ядерная физика
  4. Квантовая физика
  5. Молекулярная физика
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Вынужденные колебания в физике
  • Электромагнитные колебания
  • Свободные и вынужденные колебания в физике
  • Вынужденные электромагнитные колебания
  • Закон Архимеда
  • Движение жидкостей
  • Уравнение Бернулли
  • Механические колебания и волны в физике

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:Механические модели волн. 1.Скачать

Механические модели волн. 1.

Гармонические колебания.

Колебания, при которых изменения физических величин происходят по закону косинуса или синуса (гармоническому закону), наз. гармоническими колебаниями.

Например, в случае механических гармонических колебаний:.

В этих формулах ω – частота колебания, xm – амплитуда колебания, φ0 и φ0 – начальные фазы колебания. Приведенные формулы отличаются определением начальной фазы и при φ0’ = φ0 +π/2 полностью совпадают.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Это простейший вид периодических колебаний. Конкретный вид функции (синус или косинус) зависит от способа выведения системы из положения равновесия. Если выведение происходит толчком (сообщается кинетическая энергия), то при t=0 смещение х=0, следовательно, удобнее пользоваться функцией sin, положив φ0’=0; при отклонении от положения равновесия (сообщается потенциальная энергия) при t=0 смещение х=хm, следовательно, удобнее пользоваться функцией cos и φ0=0.

Выражение, стоящее под знаком cos или sin, наз. фазой колебания: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении.

Фаза колебания измеряется в радианах и определяет значение смещения (колеблющейся величины) в данный момент времени.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Амплитуда колебания зависит только от начального отклонения (начальной энергии, сообщенной колебательной системе).

Скорость и ускорение при гармонических колебаниях.

Согласно определению скорости, скорость – это производная от координаты по времени Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Таким образом, мы видим, что скорость при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания скорости опережают колебания смещения по фазе на π/2.

Величина Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении — максимальная скорость колебательного движения (амплитуда колебаний скорости).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Следовательно, для скорости при гармоническом колебании имеем: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении, а для случая нулевой начальной фазы Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении (см. график).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Согласно определению ускорения, ускорение – это производная от скорости по времени:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении — вторая производная от координаты по времени. Тогда: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении.

Ускорение при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания ускорения опережают колебания скорости на π/2 и колебания смещения на π (говорят, что колебания происходят в противофазе).

Величина Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

— максимальное ускорение (амплитуда колебаний ускорения). Следовательно, для ускорения имеем: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении, а для случая нулевой начальной фазы: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении (см. график).

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Из анализа процесса колебательного движения, графиков и соответствующих математических выражений видно, что при прохождении колеблющимся телом положения равновесия (смещение равно нулю) ускорение равно нулю, а скорость тела максимальна (тело проходит положение равновесия по инерции), а при достижении амплитудного значения смещения – скорость равна нулю, а ускорение максимально по модулю (тело меняет направление своего движения).

Сравним выражения для смещения и ускорения при гармонических колебаниях:

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении и Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении.

Можно записать: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

т.е. вторая производная смещения прямо пропорциональна (с противоположным знаком) смещению. Такое уравнение наз. уравнением гармонического колебания. Эта зависимость выполняется для любого гармонического колебания, независимо от его природы. Поскольку мы нигде не использовали параметров конкретной колебательной системы, то от них может зависеть только циклическая частота.

Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении

Часто бывает удобно записывать уравнения для колебаний в виде: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении,

где T – период колебания. Тогда, если время выражать в долях периода подсчеты будут упрощаться. Например, если надо найти смещение через 1/8 периода, получим: Уравнение смещения скорости и ускорения при колебательном движении. Аналогично для скорости и ускорения.

📹 Видео

Урок 325. Колебательное движение и его характеристикиСкачать

Урок 325. Колебательное движение и его характеристики

Физика 9 класс. §25 Гармонические колебанияСкачать

Физика 9 класс. §25 Гармонические колебания

Урок 92 (осн). Колебательное движение. МаятникиСкачать

Урок 92 (осн). Колебательное движение. Маятники

Колебательное движение. Практическая часть - решение задачи. 9 класс.Скачать

Колебательное движение. Практическая часть - решение задачи. 9 класс.

Величины, характеризующие колебательное движение | Физика 9 класс #24 | ИнфоурокСкачать

Величины, характеризующие колебательное движение | Физика 9 класс #24 | Инфоурок

Урок 24. Мгновенная скорость. Равноускоренное движение. УскорениеСкачать

Урок 24. Мгновенная скорость. Равноускоренное движение. Ускорение

Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 2 часть. 9 класс.Скачать

Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 2 часть. 9 класс.

Ускорение. Движение с постоянным ускорением. Единица ускорения | Физика 10 класс #5 | ИнфоурокСкачать

Ускорение. Движение с постоянным ускорением. Единица ускорения | Физика 10 класс #5 | Инфоурок
Поделиться или сохранить к себе: