Математический и пружинный маятники

 

 

 

 

 

Доклад 

по физике

на тему:

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ  И ПРУЖИННЫЙ МАЯТНИКИ

 

 

 

 

 

Выполнила: Бархударова Амалия

                                         Ученица 9а класса

 

Математический  маятник

Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения^[1]. Период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен

и не зависит^[2] от амплитуды колебаний и массы маятника.

Плоский математический маятник  со стержнем — система с одной степенью свободы. Если же стержень заменить на растяжимую нить, то это система с двумя степенями свободы со связью. Пример школьной задачи, в которой важен переход от одной к двум степеням свободы.

При малых колебаниях физический маятник колеблется так же, как математический с приведённой длиной.

Уравнение колебаний  маятника

Колебания математического  маятника описываются обыкновенным дифференциальным уравнением вида

где ― положительная константа, определяемая исключительно из параметров маятника. Неизвестная функция ― это угол отклонения маятника в момент от нижнего положения равновесия, выраженный в радианах; , где ― длина подвеса, ― ускорение свободного падения. Уравнение малых колебаний маятника около нижнего положения равновесия (т. н. гармоническое уравнение) имеет вид:

.

Решения уравнения  движения

Гармонические колебания

Маятник, совершающий малые  колебания, движется по синусоиде. Поскольку  уравнение движения является обыкновенным ДУ второго порядка, для определения  закона движения маятника необходимо задать два начальных условия  — координату и скорость, из которых  определяются две независимых константы:

где — амплитуда колебаний маятника, — начальная фаза колебаний, — циклическая частота, которая определяется из уравнения движения. Движение, совершаемое маятником, называется гармоническими колебаниями

Нелинейный маятник

Для маятника, совершающего колебания с большой амплитудой, закон движения более сложен:

где — это синус Якоби. Для он является периодической функцией, при малых совпадает с обычным тригонометрическим синусом.

Параметр  определяется выражением

где — энергия маятника в единицах t⁻².

Период колебаний нелинейного  маятника

где K — эллиптический  интеграл первого рода.

Для вычислений практически  удобно разлагать эллиптический  интеграл в ряд:

, где  — период малых колебаний, — максимальный угол отклонения маятника от вертикали.

При углах до 1 радиана (≈60°) с приемлемой точностью (ошибка менее 1 %) можно ограничиться первым приближением:

.

Точная формула периода, с квадратичной сходимостью для  любого угла максимального отклонения, обсуждается на страницах 1096-1097 Сентябрьского  выпуска заметок американского  математического общества 2012 г.^[3]:

где -- арифметико-геометрическое среднее числел 1 и .

Движение по сепаратрисе

Движение маятника по сепаратрисе является непериодическим. В бесконечно далёкий момент времени он начинает падать из крайнего верхнего положения в какую-то сторону с нулевой скоростью, постепенно набирает её, и останавливается, возвратившись в исходное положение.

Интересные факты

Несмотря на свою простоту, математический маятник связан с  рядом интересных явлений.

• Если амплитуда колебания маятника близка к π, то есть, движение маятника на фазовой плоскости близко к сепаратрисе, то под действием малой периодической вынуждающей силы система демонстрирует хаотическое поведение. Это одна из простейших механических систем, в которой хаос возникает под действием периодического возмущения.
• Если точка подвеса не неподвижна, а совершает колебания, то у маятника может появиться новое положение равновесия. Если точка подвеса достаточно быстро колеблется вверх-вниз, то маятник приобретает устойчивое положение «вверх тормашками». Такая система называется маятником Капицы.

 

Пружинный маятник

 

Пружинный маятник — механическая система, состоящая из пружины с коэффициентом упругости (жёсткостью) k (закон Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на втором находится груз массы m.

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.

Второй закон  Ньютона для такой системы при условии отсутствия внешних сил и сил трения имеет вид:

Если на систему оказывают  влияние внешние силы, то уравнение  колебаний перепишется так:

, где f(x) — это равнодействующая внешних сил соотнесённая к единице массы груза.

В случае наличия затухания, пропорционального скорости колебаний с коэффициентом c: