Что называют пружинным маятником

Когда на массивное тело действует упругая сила, возвращающая его в положение равновесия, оно совершает колебания около этого положения.

Такое тело называют пружинным маятником. Колебания возникают под действием внешней силы. Колебания, которые продолжаются после того, как внешняя сила перестала действовать, называют свободными. Колебания, обусловленные действием внешней силы, называют вынужденными. При этом сама сила называется вынуждающей.

В простейшем случае пружинный маятник представляет собой движущееся по горизонтальной плоскости твердое тело, прикрепленное пружиной к стене (рис. 1).

Прямолинейное движение тела описывают посредством зависимости его координаты от времени:

Если известны все силы, действующие на рассматриваемое тело, то эту зависимость можно установить при помощи второго закона Ньютона:

md 2 x /dt 2 = S F , (2)

где m — масса тела.

Правая часть уравнения (2) есть сумма проекций на ось x всех действующих на тело сил.

В рассматриваемом случае главную роль играет упругая сила, которая является консервативной и может быть представлена в виде:

F ( x ) = — dU ( x )/ dx , (3)

где U = U ( x ) — потенциальная энергия деформированной пружины.

Пусть x есть удлинение пружины. Экспериментально установлено, что при малых значениях относительного удлинения пружины, т.е. при условии, что:

где l — длина недеформированной пружины.

Приближенно справедлива зависимость:

U ( x ) = k x 2 /2, (4)

где коэффициент k называют жесткостью пружины.

Из этой формулы вытекает следующее выражение для упругой силы:

Эту зависимость называют законом Гука.

Кроме силы упругости на движущееся по плоскости тело может действовать сила трения, которая удовлетворительно описывается эмпирической формулой:

F тр = — r dx /dt , (6)

где r — коэффициент трения.

С учетом формул (5) и (6) уравнение (2) можно записать так:

md 2 x /dt 2 + rdx /dt + kx = F ( t ), (7)

где F ( t ) — внешная сила.

Если на тело действует только сила Гука (5), то свободные колебания тела будут гармоническими. Такое тело называют гармоническим пружинным маятником.

Второй закон Ньютона в этом случае приводит к уравнению:

d 2 x /dt 2 + w 0 2 x = 0, (8)

w 0 = sqrt ( k /m ) (9)

Общее решение уравнения (8) имеет вид:

x ( t ) = A cos ( w 0 t + a ), (10)

где амплитуда A и начальная фаза a определяются начальными условиями.

Когда на рассматриваемое тело действует только сила упругости (5), его полная механическая энергия не изменяется с течением времени:

mv 2 / 2 + k x 2 /2 = const . (11)

Это утверждение составляет содержание закона сохранения энергии гармонического пружинного маятника.

Пусть на массивное тело кроме упругой силы, возвращающей его в положение равновесия, действует сила трения. В этом случае возбужденные в некоторый момент времени свободные колебания тела будут затухать с течением времени и тело будет стремиться к положению равновесия.

В этом второй закон Ньютона (7) можно записать так:

m d 2 x /dt 2 + rdx /dt + kx = 0, (12)

где m — масса тела.

Общее решение уравнения (12) имеет вид:

x(t) = a exp(- b t ) cos ( w t + a ), (13)

w = sqrt( w o 2 — b 2 ) (14)

— коэффициент затухания колебаний, амплитуда a и начальная фаза a определяются начальными условиями. Функция (13) описывает так называемые затухающие колебания.

Полная механическая энергия пружинного маятника, т.е. сумма его кинетической и потенциальной энергий

E = m v 2 /2 + kx 2 / 2 (16)

изменяется с течением времени по закону:

где P = — rv 2 — мощность силы трения, т.е. энергия, переходящая в тепло за единицу времени.

Области техники и экономики

Используемые естественнонаучные эффекты

Возбуждение гармонических механических колебаний (Возбуждение гармонических механических колебаний)

Разделы естественных наук используемых естественнонаучных эффектов

1

Механические колебания и волны

Пружинные маятники широко используются в качестве акселерометра в системах управления баллистических ракет, контактных взрывателях артиллеристских и авиационных боеприпасов и т.п.

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация представляет собой осуществление гармонического вынужденного колебания массивного тела, лежащего на плоскости практически без трения (лед, полированная поверхность, воздушная подушка и т.п.) — вдоль оси X под действием упругой силы пружины, второй конец которой жестко закреплен относительно плоскости. Пружину растягивают после чего отпускают.

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.- М.: Наука, 1974.- С.942.

2. Горелик Г.С. Колебания.- М.: Гос. изд-во тех.-теор. лит., 1950.- С.551.

Маятник — У этого термина существуют и другие значения, см. Маятник (значения). Колебания маятника: стрелками показаны векторы скорости (v) и ускорения (a) … Википедия

Маятник — устройство, которое, колеблясь, упорядочивает движение механизма часов. Пружинный маятник. Регулирующая деталь часов, состоящая из маятника и его пружины. До изобретения маятниковой пружины, часы приводились в движение одним маятником.… … Словарь часов

МАЯТНИК — (1) математический (или простой) (рис. 6) тело небольших размеров, свободно подвешенное к неподвижной точке на нерастяжимой нити (или стержне), масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела, совершающего гармонические (см.)… … Большая политехническая энциклопедия

МАЯТНИК — твёрдое тело, совершающее под действием прилож. сил колебания ок. неподвижной точки или оси. Математическим М. наз. материальная точка, подвешенная к неподвижной точке на невесомой нерастяжимой нити (или стержне) и совершающая под действием силы… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Часы с пружинным маятником — пружинный маятник регулирующая часть часов, также используется в часах средних и маленьких размеров (переносные часы, настольные, и т.д.) … Словарь часов

Период колебаний — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

Колебания — движения (изменения состояния), обладающие той или иной степенью повторяемости. При К. маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения. При К. пружинного маятника груза, висящего на пружине,… … Большая советская энциклопедия

Ширина распада — Ширина распада физическая величина, характеризующая нестабильную квантовомеханическую систему (распадающийся атомный уровень, радиоактивное ядро и т. п.). Имеет размерность энергии, обозначается греческой буквой Γ. Временная… … Википедия

Маятниковая пружина — маленькая спиральная пружина, прикрепленная концами к маятнику и его молоточку. Пружинный маятник регулирует часы, точность которых частично зависит от качества маятниковой пружины … Словарь часов

ГОСТ Р 52334-2005: Гравиразведка. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 52334 2005: Гравиразведка. Термины и определения оригинал документа: ( гравиметрическая ) съемка Гравиметрическая съемка, проводимая на суше. Определения термина из разных документов: ( гравиметрическая ) съемка 95… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Пружинный маятник

Пружинный маятник — это колебательная система, состоящая из материальной точки массой т и пружины. Рассмотрим горизонтальный пружинный маятник (рис. 13.12, а). Он представляет собой массивное тело, просверленное посередине и надетое на горизонтальный стержень, вдоль которого оно может скользить без трения (идеальная колебательная система). Стержень закреплен между двумя вертикальными опорами. К телу одним концом прикреплена невесомая пружина. Другой ее конец закреплен на опоре, которая в простейшем случае находится в покое относительно инерциальной системы отсчета, в которой происходят колебания маятника. В начале пружина не деформирована, и тело находится в положении равновесия С. Если, растянув или сжав пружину, вывести тело из положения равновесия, то со стороны деформированной пружины на него начнет действовать сила упругости, всегда направленная к положению равновесия. Пусть мы сжали пружину, переместив тело в положение А, и отпустили ((upsilon_0=0).) Под действием силы упругости оно станет двигаться ускоренно. При этом в положении А на тело действует максимальная сила упругости, так как здесь абсолютное удлинение x_m пружины наибольшее. Следовательно, в этом положении ускорение максимальное. При движении тела к положению равновесия абсолютное удлинение пружины уменьшается, а следовательно, уменьшается ускорение, сообщаемое силой упругости. Но так как ускорение при данном движении сонаправлено со скоростью, то скорость маятника увеличивается и в положении равновесия она будет максимальна. Достигнув положения равновесия С, тело не остановится (хотя в этом положении пружина не деформирована, и сила упругости равна нулю), а обладая скоростью, будет по инерции двигаться дальше, растягивая пружину. Возникающая при этом сила упругости направлена теперь против движения тела и тормозит его. В точке D скорость тела окажется равной нулю, а ускорение максимально, тело на мгновение остановится, после чего под действием силы упругости начнет двигаться в обратную сторону, к положению равновесия. Вновь пройдя его по инерции, тело, сжимая пружину и замедляя движение, дойдет до точки А (так как трение отсутствует), т.е. совершит полное колебание. После этого движение тела будет повторяться в описанной последовательности. Итак, причинами свободных колебаний пружинного маятника являются действие силы упругости, возникающей при деформации пружины, и инертность тела.

F_x=-kx.) По второму закону Ньютона (

F_x = ma_x.) Следовательно, (

ma_x = -kx.) Отсюда

(a_x = -fracx) или (a_x + -fracx = 0 ) — динамическое уравнение движения пружинного маятника.

Видим, что ускорение прямопропорционально смешению и противоположно ему направлено. Сравнивая полученное уравнение с уравнением гармонических колебаний (

a_x + omega^2 x = 0,) видим, что пружинный маятник совершает гармонические колебания с циклической частотой (omega = sqrt frac) Так как (T = frac<2 pi><omega>,) то

(T = 2 pi sqrt< frac >)— период колебаний пружинного маятника.

По этой же формуле можно рассчитывать и период колебаний вертикального пружинного маятника (рис. 13.12. б). Действительно, в положении равновесия благодаря действию силы тяжести пружина уже растянута на некоторую величину x, определяемую соотношением (

mg=kx_0.) При смещении маятника из положения равновесия O на х проекция силы упругости (

F’_ = -k(x_0 + x)) и по второму закону Ньютона (

ma_x=-k(x_0+ x) + mg.) Подставляя сюда значение (

kx_0=mg,) получим уравнение движения маятника (a_x + fracx = 0,) совпадающее с уравнением движения горизонтального маятника.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 377-378.