15.2: Einfache harmonische Bewegung

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Gleichungen der SHM

Betrachten Sie einen Block, der an einer Feder auf einem reibungsfreien Tisch befestigt ist (Abbildung \(\PageIndex{3}\)). Die Gleichgewichtslage (die Lage, in der die Feder weder gedehnt noch gestaucht ist) ist mit x = 0 gekennzeichnet. In der Gleichgewichtslage ist die Nettokraft gleich Null.

Abbildung \(\PageIndex{3}\): Ein Block wird an einer Feder befestigt und auf einen reibungsfreien Tisch gestellt. Die Gleichgewichtslage, in der die Feder weder gedehnt noch gestaucht ist, wird mit x = 0 bezeichnet.

Der Klotz wird durch Arbeit in eine Lage von x = + A gezogen und dann aus der Ruhelage gelöst. Die maximale x-Position (A) wird als die Amplitude der Bewegung bezeichnet. Der Block beginnt in SHM zwischen x = + A und x = -A zu schwingen, wobei A die Amplitude der Bewegung und T die Periode der Schwingung ist. Die Periode ist die Zeit für eine Schwingung. Abbildung \(\PageIndex{4}\) zeigt die Bewegung des Blocks, wie er eineinhalb Schwingungen nach dem Loslassen vollführt.

Abbildung \(\PageIndex{4}\): Ein Block wird an einem Ende einer Feder befestigt und auf einen reibungsfreien Tisch gestellt. Das andere Ende der Feder ist an der Wand verankert. Die Gleichgewichtslage, in der die Nettokraft gleich Null ist, wird mit x = 0 m bezeichnet. Es wird eine Arbeit auf den Klotz ausgeübt, die ihn nach x = + A zieht, und der Klotz wird aus der Ruhelage gelöst. Der Klotz schwingt zwischen x = + A und x = -A. Die Kraft wird ebenfalls als Vektor dargestellt.

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Die Gleichung für die Position als Funktion der Zeit \(x(t) = A\cos( \omega t)\) eignet sich gut für die Modellierung von Daten, bei denen die Position des Klotzes zum Anfangszeitpunkt t = 0,00 s der Amplitude A entspricht und die Anfangsgeschwindigkeit Null ist. Bei experimentellen Daten ist die Position der Masse zum Anfangszeitpunkt t = 0,00 s oft nicht gleich der Amplitude und die Anfangsgeschwindigkeit ist nicht gleich Null. Betrachten Sie die von einem Schüler im Labor gesammelten Daten von 10 Sekunden, die in Abbildung \(\PageIndex{6}\) dargestellt sind.

Abbildung \(\PageIndex{6}\): Die von einem Schüler im Labor gesammelten Daten zeigen die Position eines an einer Feder befestigten Blocks, die mit einem Schallentfernungsmesser gemessen wurde. Die Daten werden zum Zeitpunkt t = 0,00s erfasst, aber die Ausgangsposition liegt nahe der Position x ≈ – 0,80 cm ≠ 3,00 cm, so dass die Ausgangsposition nicht der Amplitude x0 = + A entspricht. Die Geschwindigkeit ist die zeitliche Ableitung der Position, d. h. die Steigung an einem Punkt des Graphen von Position über Zeit. Die Geschwindigkeit ist nicht v = 0,00 m/s zum Zeitpunkt t = 0,00 s, wie aus der Steigung des Graphen der Position über der Zeit hervorgeht, die zum Anfangszeitpunkt nicht Null ist.

Die Daten in Abbildung \(\PageIndex{6}\) können immer noch mit einer periodischen Funktion, wie einer Kosinusfunktion, modelliert werden, aber die Funktion ist nach rechts verschoben. Diese Verschiebung wird als Phasenverschiebung bezeichnet und gewöhnlich durch den griechischen Buchstaben phi (\(\phi\)) dargestellt. Die Gleichung der Position als Funktion der Zeit für einen Block auf einer Feder lautet

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Dies ist die verallgemeinerte Gleichung für SHM, wobei t die in Sekunden gemessene Zeit ist, \(\omega\) die Winkelfrequenz mit Einheiten von inversen Sekunden, A die in Metern oder Zentimetern gemessene Amplitude und \(\phi\) die in Bogenmaß gemessene Phasenverschiebung (Abbildung \(\PageIndex{7}\)). Da sich Sinus- und Kosinusfunktionen nur durch eine Phasenverschiebung unterscheiden, könnte diese Bewegung entweder mit der Kosinus- oder der Sinusfunktion modelliert werden.

Die Geschwindigkeit der Masse auf einer Feder, die in SHM schwingt, kann durch die Ableitung der Positionsgleichung ermittelt werden:

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Da die Sinusfunktion zwischen -1 und +1 schwingt, ist die maximale Geschwindigkeit die Amplitude mal der Kreisfrequenz, vmax = A\(\omega\). Die maximale Geschwindigkeit tritt in der Gleichgewichtslage (x = 0) auf, wenn sich die Masse in Richtung x = + A bewegt. Die maximale Geschwindigkeit in negativer Richtung wird in der Gleichgewichtslage (x = 0) erreicht, wenn sich die Masse in Richtung x = -A bewegt, und ist gleich -vmax.

Die Beschleunigung der Masse auf der Feder kann durch die zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit ermittelt werden:

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