Как сделать пружинный маятник

Обновлено: 06.07.2024

Один конец пружины закреплен, к другому концу прикреплено тело $m$ рис.1.

Рисунок 1. Пружинный маятник. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Длина пружины без деформации равна $l_0$. При растяжении или сжатии этой пружины до длины $l$ возникает сила упругости ($\vec F$), которая хочет вернуть пружине первоначальную длину. Если изменения длины пружины мало и равно:

то выполняется закон Гука, в соответствии с которым сила упругости прямо пропорциональна изменению длины пружины:

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Гармонические колебания пружинного маятника 430 руб.
Реферат Гармонические колебания пружинного маятника 280 руб.
Контрольная работа Гармонические колебания пружинного маятника 210 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
$F=-k\Delta y (2),$

где $k$ — коэффициент упругости пружины.

Что такое пружинный маятник

Пружинным маятником в физике называют систему, совершающую колебательные движения под действием силы упругости.

Приняты следующие обозначения:

m — масса тела;
k — коэффициент жесткости пружины.

Общий вид маятника:

Особенностями пружинных маятников являются:

Массой пружины обычно в расчетах пренебрегают. Роль тела могут играть различные объекты. На них оказывают действие внешние силы. Груз может крепиться разными способами. Витки пружины, которыми она начинается и заканчивается, изготавливают с учетом повышенной нагрузки;

При максимальном сжатии зазора между витками нет. Когда она максимально растянута, возникает необратимая деформация;

В этот момент на объект не оказывает действие сила упругости;

Масштаб влияния определяется несколькими причинами (тип сплава, расположение витков и т. д.). Так как может происходить и сжатие и растяжение, можно сделать вывод, что сила упругости действует в двух противоположных направлениях;

Например, если подвесить груз к пружине и, растянув её, отпустить, то груз будет перемещаться в двух плоскостях: вертикально и горизонтально.

Амплитуда и начальная фаза колебаний пружинного маятника

Амплитуду колебаний ($y_m$) и начальную фазу ($\delta$) невозможно определить из дифференциального уравнения (4). Данные неизменные параметры колебаний определяют исходя из начальных условий колебаний. Например, задают:

смещение $y$ в момент времени принимаемы за $t=0$;
и начальную скорость ($\dot$) в этот же момент времени.

Дифференциальное уравнение (4) справедливо при любых начальных условиях. Поскольку это уравнение может описывать любые колебания, которые способна совершать наша колебательная система. Конкретное колебание выделяют из этого комплекса при определении постоянных $y_m$ и $\delta$.

Виды пружинных маятников

Существует два типа данной системы:

маятник — на тело довольно сильно влияет сила тяжести. Это влияние обуславливает увеличение инерционных движений, которые совершает тело в исходной точке.

— в таком варианте при движении на груз начинает действовать сила трения, возникающая по причине того, что груз лежит на поверхности.

Сила упругости в пружинном маятнике

До начала деформирования пружина находится в равновесном состоянии. Прикладываемое усилие может как растягивать, так и сжимать её.

Применяя к пружинному маятнику закон сохранения энергии, мы можем рассчитать силу упругости в нем. Упругость прямо пропорциональна расстоянию, на которое сместился груз.

Расчёт силы упругости может быть проведен таким образом:

Fупр
= — k*x
где k — коэффициент жесткости пружины (Нм),

Постигаем закон Гука

Все объекты природы могут деформироваться, т.е. менять свою форму или объем, под действием приложенной силы. Если такие деформации (т.е. изменения) исчезают после прекращения действия приложенной силы, то они называются упругими. Упругость играет важную роль в технике. Упругие пружины используются для гашения удара при посадке космического корабля на поверхность планеты. Свернутые в спираль упругие пластины применяются в заводных механизмах часов. Даже в мышеловке используется упругая деформация пружины.

Еще в XVII-M веке английский физик Роберт Гук, изучая упругие свойства разных материалов, вывел закон, названный его именем. Согласно закону Гука, для упругого деформирования материала требуется приложить силу, величина которой прямо пропорциональна его деформации. Например, чтобы растянуть пружину на величину $ x $, потребуется приложить внешнюю силу $ F_ $, которая равна:

где $ k $ — это коэффициент пропорциональности.

Точнее говоря, вектор деформации $ \mathbf $ всегда направлен противоположно силе сопротивления пружины (или силе упругости) $ \mathbf $, а потому в векторную формулировку закона Гука обычно входит знак “минус”:

Растягиваем и сжимаем пружины

Следует помнить, что закон Гука относится только к упруго деформируемым материалам.

В реальном мире, помимо упругих деформаций, имеются еще и пластические деформации. Так называют деформации, которые остаются в объекте, хотя бы частично, даже после прекращения действия внешних сил. Если сила не превосходит некоторой известной величины, которая называется пределом упругости, то возникающая деформация будет пластической. Предел упругости имеет разные значения для разных материалов. Если деформируемый объект, например пружина, испытывает только упругие деформации, то его называют идеально упругим, например, идеально упругой пружиной. Коэффициент пропорциональности $ k $ в законе Гука $ F=kx $ называется коэффициентом упругости объекта, который зависит от материала объекта, его размеров и измеряется в Н/м.

Допустим, вам нужно спроектировать подвеску автомобиля массой 1000 кг, состоящую из 4 пружин, которые могут идеально упруго деформироваться на расстояние 0,5 м. Каким коэффициентом упругости должна обладать пружина, чтобы выдержать вес автомобиля?

Вес автомобиля равен $ mg $, где $ g $ — это ускорение свободного падения под действием силы гравитационного притяжения. Это значит, что на каждую пружину приходится вчетверо меньшая нагрузка $ mg/4 $.

Определим упругую деформацию пружины под действием этой нагрузки по формуле закона Гука:

т.е. коэффициент упругости равен:

Подставляя значения, получим:

Итак, чтобы выдержать вес автомобиля, потребуется пружина с коэффициентом упругости равным 4,9·103 Н/м. Не забудьте, что каждый элемент подвески автомобиля должен обладать определенным запасом прочности, чтобы выдерживать непредсказуемые превышения нагрузки, например на ухабах. Однако эта задача выходит за рамки данного курса.

Изучаем особенности закона Гука

Как уже упоминалось выше, в векторную формулировку закона Гука обычно входит знак “минус”:

Таким образом, знак “минус” выражает следующую особенность упругой деформации: сила упругости всегда противоположна деформации. На рис. 12.1 схематически показаны направления силы упругости и деформации при сжатии и растяжении пружины.

Как видите, при отсутствии растяжении или сжатия нет и деформации (см. схему А на рис. 12.1). Если пружина сжимается влево, то сила упругости направлена вправо (см. схему Б на рис. 12.1), а если пружина растягивается вправо, то сила упругости направлена влево (см. схему В на рис. 12.1).

Сила упругости пружины не зря называется силой сопротивления, ведь она стремится установить равновесие.

Уравнения колебаний пружинного маятника

Свободные колебания пружинного маятника описываются с помощью гармонического закона.

Если допустить вероятность того, что колебания идут вдоль оси Х, и при этом выполняется закон Гука, то уравнение примет вид:

F(t) = ma(t) = — mw2x(t),

где w — радиальная частота гармонического колебания.

Для проведения расчета колебаний, учитывая все вероятности, применяют следующие формулы:

Период и частота свободных колебаний пружинного маятника

При разработке проектов всегда определяется период колебаний и их частота. Для их измерения используются известные в физике формулы.

Изменение циклической частоты покажет формула, приведенная на рисунке:

Факторы, от которых зависит частота:

На этот коэффициент влияет количество витков, их диаметр, расстояние между ними, длина пружины, жесткость используемого сплава и т. д.

От этого фактора зависит возникающая инерция и скорость перемещения.

Формула для расчета периода колебаний пружинного маятника

Механика (56) Кинематика (19)
Динамика и статика (32)
Гидростатика (5)

Уравнение состояния (3)

Геометрическая оптика (3)

Квадратный корень, рациональные переходы (1)
Квадратный трехчлен (1)
Координатный метод в стереометрии (1)
Логарифмы (1)
Логарифмы, рациональные переходы (1)
Модуль (1)
Модуль, рациональные переходы (1)
Планиметрия (1)
Прогрессии (1)
Производная функции (1)
Степени и корни (1)
Стереометрия (1)
Тригонометрия (1)
Формулы сокращенного умножения (1)

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?Переходите по моей ссылке и получите два бесплатных урока в школе английского языка SkyEng! Занимаюсь там сам — очень круто. Прогресс налицо.

В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.

Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке! Жмите СЮДА

Период пружинного маятника — зависит от жёсткости пружины: с увеличением коэффициента жёсткости пружины период колебания маятника уменьшается

Пружинный маятник — это груз, колеблющийся на пружине. Он совершает возвратно-поступательное движение. Пружинный маятник подчиняется законам движения, по которым можно определить период его колебаний, зная массу груза и жесткость пружины. Период колебаний пружинного маятника не зависит от места его расположения и амплитуды колебаний.

Энергия пружинного маятника

При рассмотрении колебания тел учитывают, что груз движется прямолинейно. Полная механическая энергия тела в каждой точке траектории является константой и равняется сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии.

Потенциальная энергия:

Кинетическая энергия:

Полная энергия:

Расчет имеет особенности. При его проведении нужно учитывать несколько условий:

11-б. Нитяной и пружинный маятники

§ 11-б. Нитяной и пружинный маятники

Познакомимся с физической моделью нитяной маятник.

Взгляните на рисунок. Вы видите кирпич, подвешенный на широкой ленте, и тяжёлый шарик, подвешенный на нити. Толкнём их рукой, и оба тела начнут совершать колебания – станут
маятниками.
Изучить колебания – значит найти способы описания колебаний и выявить их закономерности. Удобен ли для этого кирпичный маятник? Конечно, нет.

Во-первых, потому, что он большой, и при его качаниях будет велика сила сопротивления воздуха.

Во-вторых, лента подвешена за два конца, и при качаниях её половины будут натягиваться неодинаково, из-за чего кирпич будет двигаться зигзагами. Тяжёлый шарик на нити более удобен для изучения колебаний.

Нитяным маятником

называют тело на невесомой нерастяжимой нити, совершающее колебания.
Для этой модели важно, чтобы размеры тела были малы по сравнению с длиной нити. В таком случае говорят: формой и размерами тела можно пренебречь (то есть в данных условиях не принимать их во внимание).
Опыты показывают: если на тело нитяного маятника действуют только сила тяжести и сила упругости, он совершает колебания с постоянным периодом.

При этом, если амплитуда колебаний невелика по сравнению с длиной нити (говорят: маятник совершает малые колебания), то период колебаний нитяного маятника можно подсчитать по формуле, которая помещена в рамке.

Вы видите, что период малых колебаний нитяного маятника не зависит от его массы, а определяется лишь длиной нити l и коэффициентом g.

Например, при увеличении длины нити в 4 раза, период колебаний маятника возрастёт в 2 раза (что равно √4 раз).

Рассмотрим вторую модель: пружинный маятник

– тело на пружине, совершающее колебания.
При этом важно, чтобы один конец пружины был закреплён, а её масса была мала по сравнению с массой тела (то есть массой пружины можно было бы пренебречь).
Опыты показывают: если на тело пружинного маятника действуют только сила тяжести и сила упругости, он совершает колебания с постоянным периодом.

При этом, если амплитуда колебаний невелика по сравнению с длиной пружины (то есть она деформируется упруго), то период колебаний пружинного маятника можно подсчитать по формуле, которая помещена в рамке.

Итак, период малых колебаний пружинного маятника не зависит от коэффициента силы тяжести, а определяется лишь массой тела m и коэффициентом k, характеризующим жёсткость пружины.

Например, при увеличении массы груза в 9 раз, период колебаний маятника возрастёт в 3 раза (что равно √9 раз).

Наряду со свободными колебаниями,

когда маятник выведен из положения равновесия и предоставлен самому себе, существуют также
вынужденные колебания
и
автоколебания.
Обратимся к рисунку.

Под гирей, висящей на пружине, расположен электромагнит.

Если мы будем попеременно включать и выключать ток, то гиря начнёт совершать вынужденные колебания,

частота которых зависит от частоты внешнего воздействия.

Однако маятник может сам регулировать поступление энергии, совершая автоколебания.

Взгляните: средний провод зажат прищепкой и касается гири, пока она вверху.

Ток, проходя через пружину, гирю, средний провод и электромагнит, намагничивает его сердечник. Притягиваясь, гиря движется вниз. Вскоре она отсоединяется от среднего провода, ток прекращается, и магнитное поле исчезает.

Под действием пружины гиря поднимается вверх и снова замыкает цепь.

Колебательные и волновые явленияФормулы Физика Теория 8 класс

Не можешь написать работу сам?

Доверь её нашим специалистам

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Современный мир невозможен без гармонических колебаний — любая электромагнитная волна их распространяет. Не было бы телефонов, интернета и других электронных средств. О том, что такое гармонические колебания — в этой статье.

О чем эта статья:

9 класс, 11 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Механические колебания

Механические колебания — это физические процессы, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.

Колебания делятся на два вида: свободные и вынужденные.

Свободные колебания

Это колебания, которые происходят под действием внутренних сил в колебательной системе.

Они всегда затухающие, потому что весь запас энергии, сообщенный в начале, в конце уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (в этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю). Из-за этого свободные колебания почти не имеют практического применения.

Вынужденные колебания

А вот вынужденные колебания восполняют запас энергии внешним воздействием. Если это происходит каждый период, то колебания вообще затухать не будут.

Вынужденные колебания — это колебания, которые происходят под действием внешней периодически меняющейся силы.

Частота, с которой эта сила воздействует, равна частоте, с которой система будет колебаться.

Например, качели. Если вас кто-то будет на них качать, каждый раз давая толчок, когда вы приходите в одну и ту же точку — такое колебание будет считаться вынужденным.

Это колебание все еще будет считаться вынужденным, если вас будут раскачивать из положения равновесия. Просто в данном случае амплитуда (о которой речь пойдет чуть ниже) будет увеличиваться с каждым колебанием.

Автоколебания

Иногда вынужденному колебанию не нужно внешнего воздействия, чтобы случиться. Бывают такие системы, в которых это внешние воздействие возникает само из-за способности регулировать поступление энергии от постоянного источника.

У автоколебательной системы есть три важных составляющих:

сама колебательная система
источник энергии
устройство обратной связи, обеспечивающей связь между источником и системой

Часы с кукушкой — пример автоколебательной системы. Гиря на ниточке (цепочке) стремится вращать зубчатое колесо (храповик). При колебаниях маятника анкер цепляет за зубец, и вращение приостанавливается.

Но в результате маятник получает толчок, компенсирующий потери энергии из-за трения. Потенциальная энергия гири, которая постепенно опускается, расходуется на поддержание незатухающих колебаний.

Характеристики колебаний

Чтобы перейти к гармоническим колебаниям, нам нужно описать величины, которые помогут нам эти колебания охарактеризовать. Любое колебательное движение можно описать величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.

Период — это время одного полного колебания. Измеряется в секундах и обозначается буквой T.

Формула периода колебаний

T = t/N

N — количество колебаний [—]

Также есть величина, обратная периоду — частота. Она показывает, сколько колебаний совершает система в единицу времени.

Формула частоты

ν = N/t = 1/T

N — количество колебаний [—]

Амплитуда — это максимальное отклонение от положения равновесия. Измеряется в метрах и обозначается либо буквой A, либо x max .

Она используется в уравнении гармонических колебаний:

Гармонические колебания

Простейший вид колебательного процесса — простые гармонические колебания, которые описывают уравнением:

Уравнение гармонических колебаний

x — координата в момент времени t [м]

t — момент времени [с]

(2πνt) в этом уравнении — это фаза. Ее обозначают греческой буквой φ

Фаза колебаний

t — момент времени [с]

Например, в тех же самых часах с кукушкой маятник совершает колебания. Он качается слева направо и приходит в самую правую точку. В той же фазе он будет находиться, когда придет в ту же точку, идя справа налево. Если мы возьмем точку на сантиметр левее самой правой, то идя в нее не слева направо, а справа налево, мы получим уже другую фазу.

На рисунке ниже показаны положения тела через одинаковые промежутки времени при гармонических колебаниях. Такую картину можно получить при освещении колеблющегося тела короткими периодическими вспышками света (стробоскопическое освещение). Стрелки изображают векторы скорости тела в различные моменты времени.

Если изменить период, начальную фазу или амплитуду колебания, графики тоже изменятся.

На рисунке ниже во всех трех случаях для синих кривых начальная фаза равна нулю, а в последнем (с) — красная кривая имеет меньшую начальную фазу.

В первом случае (а) красная кривая описывает колебание, у которого амплитуда больше колебания, описанного синей линией.

Во втором случае (b) красная кривая отличается от синей только значением периода — у красной период в два раза меньше.

Математический маятник

Математический маятник — отличный пример гармонических колебаний. Если мы подвесим шарик на нити, то это еще не будет математическим маятником — пока он только физический.

Математическим этот маятник станет, если размеры шарика много меньше длины нити (тогда этими размерами можно пренебречь и рассматривать шарик как материальную точку), растяжение нити очень мало, а масса нити во много раз меньше массы шарика.

Математическим маятником называется система, которая состоит из материальной точки массой m и невесомой нерастяжимой нити длиной l, на которой материальная точка подвешена, и которая находится в поле силы тяжести (или других сил).

Период малых колебаний математического маятника в поле силы тяжести Земли определяется по формуле:

Формула периода колебания математического маятника

l — длина нити [м]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2

Пружинный маятник

Пружинный маятник — это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.

В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости.
Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует.

Формула периода колебания пружинного маятника

m — масса маятника [кг]

k — жесткость пружины [Н/м]

Закон сохранения энергии для гармонических колебаний

Физика — такая клевая наука, в которой ничего не исчезает бесследно и не появляется из ниоткуда. Эту особенность описывает закон сохранения энергии.

В этой статье собраны самые простые, вводные задачи для тех, кто только познакомился с пружинным маятником. Решение таких задач помогает запомнить формулы, а это очень важно для успешной сдачи ЕГЭ.

Задача 1. Определить период колебания груза массой кг, подвешенного к пружине с коэффициентом жесткости Н/м.
По формуле находим:

$T=2 \pi \sqrt<\frac<m> >=2 \pi \sqrt>=2 \pi\cdot 0,1=0,2 \pi=0,628$

Ответ: с.
Задача 2. Во сколько раз нужно увеличить коэффициент жесткости пружины, чтобы период колебаний груза, подвешенного на ней, уменьшился в 4 раза?
Пусть сначала период колебаний был равен

$T_1=2 \pi \sqrt<\frac<m> >$

А потом стал меньше в 4 раза:

$T_2=2 \pi \sqrt<\frac<m> >=\frac$

$\begin<Bmatrix> < T_1=2 \pi \sqrt>>\\=2 \pi \sqrt>>\end$

Разделим первое уравнение на второе:

$4=\sqrt<\frac<m k_2> >$

Возведя в квадрат правую и левую части, получим:

$16=\frac< k_2> $

То есть .

Ответ: нужно увеличить жесткость пружины в 16 раз.

Задача 3. Как изменился период колебаний пружинного маятника, если его масса уменьшилась в раз?
Пусть сначала период колебаний был равен

$T_1=2 \pi \sqrt<\frac<m> >$

А потом изменился:

$T_2=2 \pi \sqrt >=\frac \sqrt>=\frac$

Ответ: уменьшился втрое.

Задача 4. Груз какой мессы следует прикрепить к пружине жесткостью Н/м, чтобы его период колебаний был равен с?

$T=2 \pi \sqrt<\frac<m> >$

$T^2=4 \pi^2 \frac<m> $

$m=\frac<T^2 k> =\frac=6,33$

Ответ: кг.

Задача 5. Определить массу груза, который на пружине жесткостью Н/м делает колебаний за время с.

Период – время одного колебания. Тогда

$T=\frac<t> $

$T=2 \pi \sqrt<\frac<m> >$

$T^2=4 \pi^2 \frac<m> $

$m=\frac<T^2 k> =\frac=\frac=4,05$

В этой статье присутствуют оба вида маятников: как математический, так и пружинный. В основном речь пойдет о математическом маятнике. Хочу обратить ваше внимание на разницу в количестве колебаний такого маятника и количестве качаний: качание – это отклонение в одну сторону, то есть только половинка колебания!

Математический и пружинный маятники

Задача 1. Как относятся длины математических маятников, если за одно и то же время один совершил , а другой колебаний?

Обозначим это неизвестное время за . Тогда период колебаний первого маятника равен:

$T_1=\frac<t> $

$T_2=\frac<t> $

С другой стороны,

$T_1=2 \pi \sqrt<\frac<l_1> >$

$T_2=2 \pi \sqrt<\frac<l_2> >$

$\frac<t> =2 \pi \sqrt>$

Поделим первое уравнение на второе:

$\frac<N_2> =\sqrt>$

Возведем в квадрат:

$\frac<l_1> =\left(\frac\right)^2=\left(\frac\right)^2=9$

Ответ: длины отличаются в 9 раз.

Задача 2. Определить длину нити математического маятника, если он совершает одно качание в 1 с.

Заметим, не колебание, а качание! Тогда за 2 с маятник совершит 2 качания – то есть одно полное колебание, то есть период и равен

$T=2 \pi \sqrt<\frac<l> >$

$T^2=4 \pi ^2\frac<l> $

$l=\frac<gT^2> =\frac=1$

Задача 3. Маятник длиной м совершает на время ч качаний. Определить ускорение свободного падения по этим данным.

Запишем формулу периода:

$T=2 \pi \sqrt<\frac<l> >$

Возведем в квадрат:

$T^2=4 \pi ^2\frac<l> $

$g=\frac<4 \pi ^2 l> $

Период колебаний равен

$T=\frac<2t> $

Так как опять дано количество качаний, следовательно, колебаний в два раза меньше!

Теперь нужно сделать подстановку численных данных. Только не забудем подставить время в секундах!

$g=\frac<4 \pi ^2 l N^2> =\frac=9,79$

Ответ: 9,79 м/с .

Задача 4. Определить ускорение свободного падения на Луне, если маятниковые часы идут на ее поверхности в 2,46 раза медленнее, чем на Земле.

Если маятниковые часы идут медленнее, следовательно, на одно качание (или колебание – неважно) тратится больше времени, то есть период колебаний маятника таких часов на Луне стал больше:

Найдем отношение периодов:

$T_L=2 \pi \sqrt<\frac<l> >$

$T_Z=2 \pi \sqrt<\frac<l> >$

$\frac< T_L > < T_Z >=\sqrt>$

Возведем в квадрат:

$\left(\frac< T_L > < T_Z >\right)^2=\frac$

$g_L=\frac<g_Z T_Z^2> =\frac< 2,46^2>=1,62$

Ответ: м/с .

Задача 5. Математический и пружинный маятники совершают колебания с одинаковым периодом. Определить массу груза пружинного маятника, если коэффициент жесткости пружины Н/м. Длина нити математического маятника м.

Запишем формулу периода математического маятника:

$T=2 \pi \sqrt<\frac<l> >$

Запишем формулу периода пружинного маятника:

$T=2 \pi \sqrt<\frac<m> >$

$2 \pi \sqrt<\frac<l> >=2 \pi \sqrt>$

$\frac<l> =\frac$

$m=\frac<lk> =\frac=0,816$

Читайте также: