Как найти частоту собственных колебаний пружины - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Формула частоты колебаний пружинного маятника в физике

Формула частоты колебаний пружинного маятника

Частота колебаний

Определение

Частота колебаний ($nu$) является одним из параметров, которые характеризуют колебания Это величина обратная периоду колебаний ($T$):

[nu =frac{1}{T}left(1right).]

Таким образом, частотой колебаний называют физическую величину, равную числу повторений колебаний за единицу времени.

[nu =frac{N}{Delta t}left(2right),]

где $N$ — число полных колебательных движений; $Delta t$ — время, за которые произошли данные колебания.

Циклическая частота колебаний (${omega }_0$) связана с частотой $nu $ формулой:

[nu =frac{{omega }_0}{2pi }left(3right).]

Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) является герц или обратная секунда:

[left[nu right]=с^{-1}=Гц.]

Пружинный маятник

Определение

Пружинным маятником называют систему, которая состоит из упругой пружины, к которой прикреплен груз.

Допустим, что масса груза равна $m$, коэффициент упругости пружины $k$. Масса пружины в таком маятнике обычно не учитывается. Если рассматривать горизонтальные движения груза (рис.1), то он движется под действием силы упругости, если систему вывели из состояния равновесия и предоставили самой себе. При этом часто считают, что силы трения можно не учитывать.

Уравнения колебаний пружинного маятника

Пружинный маятник, который совершает свободные колебания — это пример гармонического осциллятора. Пусть он выполняет колебания вдоль оси X. Если колебания малые, выполняется закон Гука, то уравнение движения груза запишем как:

[ddot{x}+{omega }^2_0x=0left(4right),]

где ${omega }^2_0=frac{k}{m}$ — циклическая частота колебаний пружинного маятника. Решение уравнения (4) это функция синуса или косинуса вида:

[x=A{cos left({omega }_0t+varphi right)=A{sin left({omega }_0t+{varphi }_1right) } }left(5right),]

где ${omega }_0=sqrt{frac{k}{m}}>0$- циклическая частота колебаний пружинного маятника, $A$ — амплитуда колебаний; ${(omega }_0t+varphi )$ — фаза колебаний; $varphi $ и ${varphi }_1$ — начальные фазы колебаний.

Частота колебаний пружинного маятника

Из формулы (3) и ${omega }_0=sqrt{frac{k}{m}}$, следует, что частота колебаний пружинного маятника равна:

[nu =frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m}} left(6right).]

Формула (6) справедлива в случае, если:

пружина в маятнике считается невесомой;
груз, прикрепленный к пружине, является абсолютно твердым телом;
крутильные колебания отсутствуют.

Выражение (6) показывает, что частота колебаний пружинного маятника увеличивается с уменьшением массы груза и увеличением коэффициента упругости пружины. Частота колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды. Если колебания не являются малыми, сила упругости пружины не подчиняется закону Гука, то появляется зависимость частоты колебаний от амплитуды.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Период колебаний пружинного маятника составляет $T=5cdot {10}^{-3}с$. Чему равна частота колебаний в этом случае? Какова циклическая частота колебаний этого груза?

Решение. Частота колебаний — это величина обратная периоду колебаний, следовательно, для решения задачи достаточно воспользоваться формулой:

[nu =frac{1}{T}left(1.1right).]

Вычислим искомую частоту:

[nu =frac{1}{5cdot {10}^{-3}}=200 left(Гцright).]

Циклическая частота связана с частотой $nu $ как:

[{omega }_0=2pi nu left(1.2right).]

Вычислим циклическую частоту:

[{omega }_0=2pi cdot 200approx 1256 left(frac{рад}{с}right).]

Ответ. $1) nu =200$ Гц. 2) ${omega }_0=1256 frac{рад}{с}$

Пример 2

Задание. Массу груза, висящего на упругой пружине (рис.2), увеличивают на величину $Delta m$, при этом частота уменьшается в $n$ раз. Какова масса первого груза?

Решение. Будем считать, что грузы на пружине совершают свободные гармонические колебания, тогда за основу решения задачи примем формулу:

[nu =frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m}} left(2.1right).]

Для первого груза частота будет равна:

[{nu }_1=frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m}} left(2.2right).]

Для второго груза:

[{nu }_2=frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m+Delta m}} left(2.2right).]

По условию задачи ${nu }_2=frac{{nu }_1}{n}$, найдем отношение $frac{{nu }_1}{{nu }_2}:frac{{nu }_1}{{nu }_2}=sqrt{frac{k}{m}cdot frac{m+Delta m}{k}}=sqrt{1+frac{Delta m}{m}}=n left(2.3right).$

Получим из уравнения (2.3) искомую массу груза. Для этого обе части выражения (2.3) возведем в квадрат и выразим $m$:

[1+frac{Delta m}{m}=n^2to frac{Delta m}{m}=n^2-1to m=frac{Delta m}{n^2-1}.]

Ответ. $m=frac{Delta m}{n^2-1}$

Читать дальше: формула частоты.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Источник

Андрей Геннадьевич Блохин

Эксперт по предмету «Физика»

Задать вопрос автору статьи

Свойства пружинного маятника

Определение 1

Идеальный пружинный маятник представляет собой пружину, массой которой можно пренебречь, с закрепленным на ней телом с точечной массой. При этом один или оба конца пружины закреплены, а силой трения можно пренебречь.

Такую конструкцию можно рассматривать лишь как математическую модель. Примерами реальных пружинных маятников (навитых из упругой проволоки цилиндрических спиралей) могут служить всевозможные устройства, гасящие колебания: амортизаторы, подвески, рессоры и т.п. Пружинные маятники, хотя и несколько иной конструкции (в виде плоских спиралей) используются в механических часах.

Свойства пружин зависят от вещества, из которого они изготовлены (как правило, это особая пружинная сталь), диаметра проволоки, формы ее сечения, диаметра цилиндра пружины, его длины. Эти показатели в совокупности обуславливают ключевую характеристику пружины — ее жесткость.

Сдай на права пока
учишься в ВУЗе

Вся теория в удобном приложении. Выбери инструктора и начни заниматься!

Получить скидку 3 000 ₽

Пружина запасает энергию при продольном растяжении или сжатии за счет упругих деформаций в кристаллической решетке своего вещества.

Замечание 1

При слишком сильном растяжении или сжатии материал пружины теряет упругие свойства. Такая деформация называется пластической или остаточной.

Формула для расчета частоты колебаний

Если пружину с закрепленной на ней грузом, подвергнуть продольной упругой деформации, а затем отпустить, она начнет совершать возвратно-поступательные гармонические колебания, в ходе которых перемещение закрепленного на ней груза описывается формулой:

$x = A cdot cos(omega_0 cdot t + phi)$

Здесь $A$ — амплитуда колебаний, $phi$ — начальная фаза, $omega_0$ — собственная циклическая частота колебаний пружинного маятника, рассчитываемая как

$omega_0 = sqrt{frac{k}{m}}$ > $0$,

где:

$k$ — жесткость пружины,
$m$ — масса закрепленного на ней тела.

Циклическая частота отличается тем, что характеризует не количество полных циклов за единицу времени, а количество «пройденных» колеблющейся по гармоническому закону точкой радиан.

Период колебаний пружинного маятника вычисляется как

$T = 2 cdot pi cdot sqrt{frac{m}{k}}$.

Пример 1

Найти частоту и циклическую частоту пружинного маятника, период колебаний которого составляет 0,1 с.

Частоту можно найти как величину обратную к периоду:

$f = frac{1}{T}$

$f = frac{1}{0,1} = 10 Гц$

Циклическую частоту можно выразить как

$omega_0 = 2 cdot pi cdot f$

$omega_0 = 2 cdot 3,1415927 cdot 10 approx 62,831854 frac{рад}{с}$

Ответ: 10 герц и $approx$ 62,831854 радиан в секунду.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Источник

Пружинный маятник — колебательная система, которая состоит из тела, подвешенного к пружине. Эта система способна к совершению свободных колебаний.

Подобные системы довольно широко распространены за счет своей функциональной гибкости. Механизмы на основе таких маятников часто используются как элементы средств автоматики.

В том числе они нашли применение в контактных взрывателях различных боеприпасов, в качестве акселерометров в контурах управления ракет. Так же они активно используются в предохранительных клапанах, устанавливаемых в трубопроводах.

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:

Сочетание тела и пружины. 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;
У любой пружины есть исходное положение, предел сжатия и растяжения. При максимальном сжатии зазора между витками нет. Когда она максимально растянута, возникает необратимая деформация;
Полная механическая энергия появляется с началом процесса обратимого деформирования. В этот момент на объект не оказывает действие сила упругости;
Колебательные движения происходят под влиянием силы 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;
От массы тела, величины и направления прикладываемой силы зависит скорость в плоскости его перемещения. Например, если подвесить груз к пружине и, растянув её, отпустить, то груз будет перемещаться в двух плоскостях: вертикально и горизонтально.

Виды пружинных маятников

Существует два типа данной системы:

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

F_упр = — k*x

где k — коэффициент жесткости пружины (Нм),

x – смещение (м).

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:

Коэффициент упругости. На этот коэффициент влияет количество витков, их диаметр, расстояние между ними, длина пружины, жесткость используемого сплава и т. д.
Масса груза. От этого фактора зависит возникающая инерция и скорость перемещения.

Амплитуда и начальная фаза пружинного маятника

Учитывая начальные условия и рассчитав уравнение колебаний, можем точно описать колебания пружинного маятника.

В качестве начальных условий используются: амплитуда (А) и начальная фаза колебаний (ϕ).

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:

Колебания проходят в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной.
В качестве равновесного положения выбирается ноль потенциальной энергии. Находясь в этом положении пружина сохраняет свою форму.
Влияние силы трения при расчете не учитывают.

Дифференциальное уравнение гармонических колебаний пружинного маятника

Отметим, что пружинный маятник — это обобщенное определение. Скорость движения груза (тела) напрямую зависит от комплекса условий, в том числе приложенного к нему усилия.

Источник

Колебания пружины, формула

При колебаниях пружины восстанавливающая сила обусловлена ее упругостью.
В определенных пределах, согласно закону Гука, вызванная деформацией сила пропорциональна величине деформации.

Поэтому упругие колебания являются гармоническими.
В случае пружин величина жесткости обычно обозначается через k
и именуется коэффициентом упругости пружины.

Если

k	коэффициент упругости пружины,	Ньютон / метр
F	сила, вызывающая деформацию Δl,	Ньютон
Δl	удлинение, прогиб или другое изменение формы,	метр
ω	угловая частота,	радиан / секунда
f	линейная частота,	Герц
T	период, длительность полного колебания,	секунда
m	масса колебательной системы, обычно тела, укрепленного на пружине,	кг

то

[
ω = 2πf = frac{2π}{T}
]

[
k = frac{F}{Δl}
]

И в соответствии с (9)

[
ω = sqrt{frac{k}{m}}
]

[
f = frac{1}{2π} sqrt{frac{k}{m}}
]

[
T = 2π sqrt{frac{m}{k}}
]

[
m = frac{1}{3}m_{пружины} + m_{тела}
]

Колебания пружины	стр. 543

Источник

Рассмотрим колебательные свойства пружинного маятника, представляющего собой материальную точку массы
, соединенную невесомой пружиной жёсткостью
с неподвижным подвесом (рис. 1).

Рис. 1. Пружинный маятник.

Пусть
– длина пружины в ненагружённом состоянии. Если на пружину подвесить груз массы
, то под действием силы тяжести пружина растянется и её длина станет равной
. Если груз и пружина находятся в равновесии (как показано на рис. 1. б), то сила тяжести уравновешена силой упругости
. Отсчитывая координату материальной точки от положения равновесия
, уравнение движения пружины можно записать в виде [1–3]

(1)

где
– частота собственных незатухающих колебаний или собственная частота. Собственная частота кантилевера
вычислена в пункте 2.1.6.

Решение уравнения (1) при начальных условиях
и
имеет вид

Амплитуда и начальная фаза свободных колебаний находятся из начальных условий для координаты и скорости, а частота собственных незатухающих колебаний является параметром колебательной системы.

Рассмотренный тип колебаний принято называть собственными свободными колебаниями, поскольку они происходят в колебательной системе, выведенной из положения равновесия и предоставленной после этого самой себе.

Выводы.

Малые колебания кантилевера можно описывать по законам колебаний пружинного маятника с заданной жёсткостью и эффективной массой.
Собственные колебания кантилевера в случае отсутствия внешних сил происходят по гармоническим законам (2).

Литература.

С.Э. Хайкин. Механика. – М.: ОГИЗ, 1947. – 574 с.
Д. В. Сивухин. Механика. – М.: Наука, 1989. – 576. с.
Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 496 с.

Источник