15.2: Mișcarea armonică simplă

author
3 minutes, 31 seconds Read

Ecuații ale SHM

Considerăm un bloc atașat de un resort pe o masă fără frecare (Figura \(\PageIndex{3}\)). Poziția de echilibru (poziția în care resortul nu este nici întins, nici comprimat) este marcată cu x = 0 . În poziția de echilibru, forța netă este zero.

Figura \(\PageIndex{3}\): Un bloc este atașat de un resort și așezat pe o masă fără frecare. Poziția de echilibru, în care resortul nu este nici întins, nici comprimat, este marcată ca fiind x = 0.

Se lucrează asupra blocului pentru a-l trage până la poziția x = + A, iar apoi acesta este eliberat din repaus. Poziția maximă x (A) se numește amplitudine a mișcării. Blocul începe să oscileze în SHM între x = + A și x = -A, unde A este amplitudinea mișcării și T este perioada de oscilație. Perioada este timpul pentru o oscilație. Figura \(\(\PageIndex{4}\) arată mișcarea blocului în timp ce acesta efectuează o oscilație și jumătate după eliberare.

Figura \(\PageIndex{4}\): Un bloc este atașat la un capăt al unui resort și plasat pe o masă fără frecare. Celălalt capăt al resortului este ancorat de perete. Poziția de echilibru, în care forța netă este egală cu zero, este marcată cu x = 0 m. Se efectuează un lucru asupra blocului, trăgându-l până la x = + A, iar blocul este eliberat din repaus. Blocul oscilează între x = + A și x = -A. Forța este, de asemenea, reprezentată ca un vector.

\

Ecuația pentru poziția în funcție de timp \(x(t) = A\cos( \omega t)\) este bună pentru modelarea datelor, unde poziția blocului la timpul inițial t = 0,00 s este la amplitudinea A și viteza inițială este zero. Adesea, atunci când se iau date experimentale, poziția masei la momentul inițial t = 0,00 s nu este egală cu amplitudinea și viteza inițială nu este zero. Să considerăm 10 secunde de date colectate de un student în laborator, prezentate în Figura \(\PageIndex{6}\).

Figura \(\PageIndex{6}\): Datele colectate de un student în laborator indică poziția unui bloc atașat la un resort, măsurată cu un telemetru sonic. Datele sunt colectate începând cu timpul t = 0,00s, dar poziția inițială este aproape de poziția x ≈ – 0,80 cm ≠ 3,00 cm, astfel încât poziția inițială nu este egală cu amplitudinea x0 = + A. Viteza este derivata în timp a poziției, care este panta într-un punct de pe graficul poziției în funcție de timp. Viteza nu este v = 0,00 m/s la momentul t = 0,00 s, după cum reiese din panta graficului poziției în funcție de timp, care nu este zero la momentul inițial.

Datele din figura \(\PageIndex{6}\) pot fi în continuare modelate cu o funcție periodică, cum ar fi o funcție cosinus, dar funcția este deplasată spre dreapta. Această deplasare este cunoscută sub numele de defazaj și este reprezentată de obicei prin litera greacă phi (\(\phi\)). Ecuația poziției în funcție de timp pentru un bloc pe un resort devine

\

Aceasta este ecuația generalizată pentru SHM unde t este timpul măsurat în secunde, \(\omega\) este frecvența unghiulară cu unități de secunde inverse, A este amplitudinea măsurată în metri sau centimetri, iar \(\phi\) este defazajul măsurat în radiani (Figura \(\PageIndex{7}\)). Trebuie remarcat faptul că, deoarece funcțiile sinus și cosinus diferă doar printr-o deplasare de fază, această mișcare ar putea fi modelată folosind fie funcția cosinus, fie funcția sinus.

Viteza masei pe un resort, care oscilează în SHM, poate fi găsită luând derivata ecuației de poziție:

\

Pentru că funcția sinusoidală oscilează între -1 și +1, viteza maximă este egală cu amplitudinea înmulțită cu frecvența unghiulară, vmax = A\(\omega\). Viteza maximă apare în poziția de echilibru (x = 0) când masa se deplasează spre x = + A. Viteza maximă în sens negativ este atinsă în poziția de echilibru (x = 0) când masa se deplasează spre x = -A și este egală cu -vmax.

Accelerația masei pe resort poate fi găsită luând derivata în timp a vitezei:

\

.

Similar Posts

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.