15.2: Egyszerű harmonikus mozgás

author
3 minutes, 54 seconds Read

Az SHM egyenletei

Tekintsünk egy súrlódásmentes asztalra rugóhoz rögzített blokkot (\(\(\PageIndex{3}\) ábra). Az egyensúlyi helyzetet (azt a helyzetet, ahol a rugó nincs sem megnyújtva, sem összenyomva) x = 0 -ként jelöljük. Az egyensúlyi helyzetben a nettó erő nulla.

ábra \(\PageIndex{3}\): Egy blokkot rugóhoz rögzítünk, és egy súrlódásmentes asztalra helyezzük. Az egyensúlyi helyzetet, ahol a rugó nincs sem kinyújtva, sem összenyomva, x = 0-nak jelöljük.

Munkát végzünk a tömbbel, hogy kihúzzuk x = + A helyzetbe, majd kiengedjük a nyugalmi helyzetből. A maximális x-helyzetet (A) a mozgás amplitúdójának nevezzük. A blokk SHM-ben kezd el oszcillálni x = + A és x = -A között, ahol A a mozgás amplitúdója, T pedig a rezgés periódusa. A periódus az egy rezgés időtartamát jelenti. A \(\PageIndex{4}\) ábra a blokk mozgását mutatja, amint a kioldás után másfél oszcillációt végez.

Az \(\PageIndex{4}\) ábra: Egy blokkot egy rugó egyik végéhez rögzítünk, és egy súrlódásmentes asztalra helyezzük. A rugó másik vége a falhoz van rögzítve. Az egyensúlyi helyzetet, ahol a nettó erő nulla, x = 0 m-nek jelöljük. A tömbön munkát végzünk, amely kihúzza azt x = + A-ig, és a tömböt kiengedjük a nyugalmi helyzetből. A blokk x = + A és x = -A között ingadozik. Az erőt vektorként is ábrázoljuk.

\

A helyzet egyenlete az idő függvényében \(x(t) = A\cos( \omega t)\) jól modellezi az adatokat, ahol a blokk helyzete a t = 0,00 s kezdeti időpontban A amplitúdójú, a kezdeti sebesség pedig nulla. Gyakran előfordul, hogy a kísérleti adatok felvételekor a tömeg helyzete a t = 0,00 s kezdeti időpontban nem egyenlő az amplitúdóval, és a kezdeti sebesség nem nulla. Tekintsük az \(\PageIndex{6}\) ábrán látható 10 másodperces adatokat, amelyeket egy hallgató gyűjtött a laborban.

Ábra \(\PageIndex{6}\): Egy hallgató által a laboratóriumban gyűjtött adatok egy rugóra erősített blokk helyzetét mutatják, amelyet hangtávolságmérővel mértek. Az adatokat a t = 0,00s időponttól kezdve gyűjtötték, de a kezdeti pozíció az x ≈ – 0,80 cm ≠ 3,00 cm pozíció közelében van, így a kezdeti pozíció nem egyenlő az x0 = + A amplitúdóval. A sebesség a pozíció időbeli deriváltja, ami a pozíció és az idő grafikonjának egy pontján a meredekség. A sebesség nem v = 0,00 m/s a t = 0,00 s időpontban, amint azt a pozíció és az idő függvényének meredeksége mutatja, amely nem nulla a kezdeti időpontban.

A \(\PageIndex{6}\) ábra adatai még mindig modellezhetők egy periodikus függvénnyel, például egy koszinuszfüggvénnyel, de a függvény jobbra van eltolva. Ezt az eltolódást fáziseltolódásnak nevezik, és általában a görög phi betűvel ábrázolják (\(\phi\)). A rugón lévő blokk helyzetének egyenlete az idő függvényében a következő:

\\

Ez az SHM általános egyenlete, ahol t az idő másodpercben mérve, \(\omega\) a szögfrekvencia inverz másodperces egységekkel, A az amplitúdó méterben vagy centiméterben mérve, és \(\phi\) a fáziseltolódás radiánban mérve (\(\PageIndex{7}\) ábra). Meg kell jegyezni, hogy mivel a szinusz és a koszinusz függvények csak a fáziseltolódásban különböznek, ez a mozgás modellezhető akár a koszinusz, akár a szinusz függvénnyel.

A SHM-ben oszcilláló rugón lévő tömeg sebességét a helyzetegyenlet deriváltjával találhatjuk meg:

\

Mivel a szinuszfüggvény -1 és +1 között oszcillál, a maximális sebesség a szögfrekvencia amplitúdójának szorzata, vmax = A\(\omega\). A maximális sebesség az egyensúlyi helyzetben (x = 0) akkor következik be, amikor a tömeg x = + A felé mozog. A negatív irányú maximális sebesség az egyensúlyi helyzetben (x = 0) akkor következik be, amikor a tömeg x = -A felé mozog, és egyenlő -vmax.

A rugón lévő tömeg gyorsulása a sebesség időbeli deriváltjával állapítható meg:

\

.

Similar Posts

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.