Как найти максимальную потенциальную энергию пружины

Формулы пружинного маятника в физике

Формулы пружинного маятника

Определение и формулы пружинного маятника

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

Уравнения колебаний пружинного маятника

Пружинный маятник, совершающий свободные колебания является примером гармонического осциллятора. Допустим, что маятник совершает колебания вдоль оси X. Если колебания малые, выполняется закон Гука, то уравнение движения груза имеет вид:

[ddot{x}+{omega }^2_0x=0left(1right),]

где ${щu}^2_0=frac{k}{m}$ — циклическая частота колебаний пружинного маятника. Решением уравнения (1) является функция:

[x=A{cos left({omega }_0t+varphi right)=A{sin left({omega }_0t+{varphi }_1right) } }left(2right),]

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

В экспоненциальном виде колебания пружинного маятника можно записать как:

[Re tilde{x}=Releft(Acdot exp left(ileft({omega }_0t+varphi right)right)right)left(3right).]

Формулы периода и частоты колебаний пружинного маятника

Если в упругих колебаниях выполняется закон Гука, то период колебаний пружинного маятника вычисляют при помощи формулы:

[T=2pi sqrt{frac{m}{k}}left(4right).]

Так как частота колебаний ($nu $) — величина обратная к периоду, то:

[nu =frac{1}{T}=frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m}}left(5right).]

Формулы амплитуды и начальной фазы пружинного маятника

Зная уравнение колебаний пружинного маятника (1 или 2) и начальные условия можно полностью описать гармонические колебания пружинного маятника. Начальные условия определяют амплитуда ($A$) и начальная фаза колебаний ($varphi $).

Амплитуду можно найти как:

[A=sqrt{x^2_0+frac{v^2_0}{{omega }^2_0}}left(6right),]

начальная фаза при этом:

[tg varphi =-frac{v_0}{x_0{omega }_0}left(7right),]

где $v_0$ — скорость груза при $t=0 c$, когда координата груза равна $x_0$.

Энергия колебаний пружинного маятника

При одномерном движении пружинного маятника между двумя точками его движения существует только один путь, следовательно, выполняется условие потенциальности силы (любую силу можно считать потенциальной, если она зависит только от координат). Так как силы, действующие на пружинный маятник потенциальны, то можно говорить о потенциальной энергии.

Пусть пружинный маятник совершает колебания в горизонтальной плоскости (рис.2). За ноль потенциальной энергии маятника примем положение его равновесия, где поместим начало координат. Силы трения не учитываем. Используя формулу, связывающую потенциальную силу и потенциальную энергию для одномерного случая:

[E_p=-frac{dF}{dx}(8)]

учитывая, что для пружинного маятника $F=-kx$,

тогда потенциальная энергия ($E_p$) пружинного маятника равна:

[E_p=frac{kx^2}{2}=frac{m{{omega }_0}^2x^2}{2}left(9right).]

Закон сохранения энергии для пружинного маятника запишем как:

[frac{m{dot{x}}^2}{2}+frac{m{{omega }_0}^2x^2}{2}=const left(10right),]

где $dot{x}=v$ — скорость движения груза; $E_k=frac{m{dot{x}}^2}{2}$ — кинетическая энергия маятника.

Из формулы (10) можно сделать следующие выводы:

• Максимальная кинетическая энергия маятника равна его максимальной потенциальной энергии.
• Средняя кинетическая энергия по времени осциллятора равна его средней по времени потенциальной энергии.

Примеры задач с решением

Читать дальше: формулы равноускоренного прямолинейного движения.

Рассмотрим процесс превращения энергии при колебательном движении идеального горизонтального пружинного маятника (рис. (1)).

Рис. (1). Колебания горизонтального пружинного маятника

Будем считать, что в системе сил трения и сил сопротивления нет.

Когда эта система находится в равновесии и никакого колебания не происходит, скорость тела равна нулю и отсутствует деформация пружины (рис. (2)) В этом случае энергии у данного маятника нет.

Рис. (2). Положение пружинного маятника в равновесии

Когда тело выводится из положения равновесия, например пружина сжимается на некоторую величину (рис. (3)) телу сообщается некоторый запас потенциальной энергии:

Рис. (3). Положение пружинного маятника при сжатой пружине

Если теперь отпустить груз, не удерживать его, то он начнёт своё движение к положению равновесия, пружина начнёт выпрямляться, и деформация пружины будет уменьшаться (рис. (4)) Следовательно, будет уменьшаться и её потенциальная энергия.

Скорость же тела будет увеличиваться, и по закону сохранения энергии потенциальная энергия пружины будет превращаться в кинетическую энергию движения тела:

Рис. (4). Движение груза к положению равновесия

В момент прохождения те­лом положения равновесия (рис. (5)) его по­тенциальная энергия равна нулю, а кинетическая будет максимальна.

Рис.(5). Прохождение грузом положения равновесия

Потом вступает в действие явление инерции. Тело, которое обладает некоторой массой, по инерции проходит точку равновесия (рис. (6)). Скорость тела начинает уменьшаться, а деформация, удлинение пружины, увеличивается. Следовательно, кине­тическая энергия тела убывает, а потенциальная, наоборот, возрастает.

Рис. (6). Положение пружинного маятника при удлинении пружины

В точке максимального отклонения тела его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная — максимальна (рис. (7)).

Рис. (7). Положение пружинного маятника в точке максимального отклонения тела

Таким образом, при колебаниях периодически проис­ходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обрат­но.

Рис. (8). Колебания вертикального пружинного маятника

Если для вертикального пружинного маятника выбрать систему отсчёта таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю, то всё описанное выше для горизонтального маятника можно применить для данного маятника.

Понятие потенциальной энергии пружины

При рассмотрении того, что такое потенциальная энергия пружины следует уделить внимание самому понятию – свойство, которым могут обладать тела при нахождении на земле. Этот момент определяет то, что ей могут обладать самые разнообразные изделия, в том числе рассматриваемое. К особенностям рассматриваемого понятия можно отнести следующее:

1. Потенциальная энергия в рассматриваемом случае формируется по причине изменения состояния. Даже при несущественном смещении витков относительно друг друга считается изменением состояния подобного изделия.
2. Для того чтобы изменить состояние изделия совершается определенное действие. Зачастую для этого проводится прикладывание усилия. При этом важно провести расчет требуемого усилия для сжатия витков.
3. После выполнения определенной работы большая часть усилия, которое было потрачено на выполнение действия высвобождается при определенных обстоятельствах. Как правило, этот процесс предусматривает возврат витков в свое первоначальное положение. Это достигается за счет особой формы изделия, а также применения соответствующего материала, который обладает повышенной упругостью. Именно за счет этого свойства зачастую проводится установка рассматриваемого изделия. Показатель может достигать весьма высоких показателей, которой достаточно для реализации различных задач. Распространенным примером можно назвать установку пружины в запорных и предохранительных элементах, которые отвечают за непосредственное возращение запорного элемента в требуемое положение.

Она также широко применяется при создании самых различных механизмов, к примеру, заводных часов. При проектировании различных механизмов учитывается закон сохранения механической силы, которая характеризуется довольно большим количеством особенностей.

Закон сохранения механической энергии

Согласно установленным законам механическое воздействие консервативной механической системы сохраняется во времени. Этот момент определяет то, что потенциальная энергия деформированной пружины не может возникнуть сама или исчезнуть куда-нибудь. Именно поэтому для ее создания нужно приложить соответствующее усилие.

Рассматриваемый закон относится к категории интегральных равенств. Эта закономерность определяет то, что он складывается их действия дифференциальных законов, является свойством или признаком совокупного воздействия.

Для проведения соответствующих расчетов должна применяться определенная формула. Сила, с которой оказывается воздействие, не является постоянной. Именно поэтому для ее вычисления применяется графический метод. Самая простая зависимость может быть описана следующим образом: F=kx. При применении подобной зависимости построенная координатная линия будет представлена прямой линией, которая расположена под углом относительно системы координат.

Приписать подобному устройству потенциальную энергию можно только в том случае, если она равна максимальной работе и не зависит от условной траектории движения. Проведенные исследования указывают на то, что подобная работа подчиняется закону Гука. Для определения основного показателя применяется следующая формула: U=kk2/2.

Для деформирования витков к ним должно быть приложено определенное усилие, так как в противном случае кинетическая сила не возникнет.

Динамика твердого тела

Некоторые определить выражения (определяется при применении наиболее подходящих формул) можно только с учетом правил, касающихся динамики твердых объектов. Этому вопросу посвящен целый раздел. При расчете потенциальной энергии сжатой пружины также применяются некоторые законы этого раздела

Динамика твердого тела рассматривается по причине того, что в большинстве случаев механизм совершает действие, связанное с непосредственным перемещением какого-либо объекта.

Рассматриваемое свойство изделия может изменяться в зависимости от динамики твердого тела. Это связано с тем, что на изделие оказывается и воздействие со стороны окружающей среды. Примером можно назвать трение или нагрев.

Момент силы и момент импульса относительно оси

Рассмотрение деформации пружины проводится также с учетом момента силы и импульса относительно оси. Эти два параметра позволяют рассчитать все требуемые показатели с более высокой точностью. Довольно распространенным вопросом можно назвать чему равен момент силы – векторная величина, которая определяется векторному произведению радиуса на вектор приложенной силы.

Момент импульса – величина, которая применяется для определения количества вращательного движения.

Среди особенностей подобного показателя можно отметить следующее:

1. Масса вращения. Объект может характеризоваться различной массой.
2. Распределение относительно оси. Ось может быть расположена на различном расстоянии от самого объекта.
3. Скорость вращения. Это свойство считается наиболее важным, в зависимости от конструкции он может быть постоянным или изменяться.

Расчет каждого показателя проводится при применении соответствующей формулы. В некоторых случаях проводится измерение требуемых вводных данных, без которых провести вычисления не получится.

Уравнение движения вращающегося тела

Рассматривая подобное свойство также следует уделить внимание уравнению движения вращающегося тела. Не стоит забывать о том, что вращательное движение твердого тела характеризуется наличием как минимум двух точек. При этом отметим нижеприведенные особенности:

1. Прямая, которая соединяет две точки, выступает в качестве оси вращения.
2. Есть возможность провести определение места положения объекта в случае вычисления заднего угла между двумя плоскостями.
3. Наиболее важным показателем можно назвать угловую скорость. Она связана с инерцией, которая возникает при вращении объекта.

Для вычисления угловой скорости применяется специальная формула, которая выглядит следующим образом: w=df/dt. В некоторых случаях проводится вычисление углового ускорения, которое также является важной величиной.

В этой главе …

• Изучаем закон Гука
• Осваиваем основы простого гармонического движения
• Изучаем особенности простого гармонического движения
• Измеряем энергию простого гармонического движения
• Вычисляем период колебаний маятника

Эта глава посвящена описанию еще одного типа движения, а именно: описанию периодического движения. Примерами такого движения являются колебания грузика на пружинке, качания маятника и даже прыжки с высоты с помощью эластичной веревки. В этой главе рассматриваются закономерности и особенности таких повторяющихся, т.е. периодических движений. Здесь мы научимся вычислять характеристики периодического движения: период колебаний пружинки и маятника, упругую энергию сжатой пружины и т.д.

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_{вн} )​, которая равна:

где ​( k )​ — это коэффициент пропорциональности.

Точнее говоря, вектор деформации ​( mathbf{x} )​ всегда направлен противоположно силе сопротивления пружины (или силе упругости) ( mathbf{F} ), 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.

Движется дальше: простое гармоническое движение

Простым гармоническим движением называется такое движение, при котором сила сопротивления движению пропорциональна перемещению. При этом сила трения не учитывается, и никакие другие внешние силы не оказывают никакого влияния на движение. Такое движение будет выполняться периодически и бесконечно долго. Конечно же, в реальной ситуации так не бывает, но здесь имеется в виду именно идеализированная ситуация.

Изучаем простое гармоническое движение по горизонтали и по вертикали

На рис. 12.1 показан пример движения мячика, прикрепленного к пружине. При сжатии пружины внешней силой справа налево в пружине возникает сила упругости, которая стремится вернуть мячик в исходное положение. После возврата мячика в исходное положение он останавливается не сразу, а спустя какое-то время. Оно необходимо для торможения ускорившегося мячика с помощью силы упругости, возникающей при растягивании вправо. Дело в том, что мячик обладает некоторой массой, и инерция (см. главу 11) не позволяет ему остановиться мгновенно. В результате имеем следующую последовательность событий (см. рис. 12.1).

• Схема А. Мячик находится в состоянии равновесия. Никакие силы не действуют на него. Пружина находится в нерастянутом и в несжатом состоянии.
• Схема Б. Внешняя сила сжала пружину справа налево. В пружине возникла упругая сила сопротивления ​( F )​.
• Схема В. Внешняя сила отпускает пружину (и далее не участвует в процессе движения). Упругая сила сопротивления пружины ​( F )​ стремится распрямить пружину, т.е. вернуть мячик в исходное состояние. Мячик начинает ускоренное движение.

Когда мячик проходит точку исходного положения, его скорость становится очень большой (фактически максимальной) и он продолжает движение вправо. При этом возникает деформация растяжения и соответственно направленная противоположно упругая сила сопротивления пружины. Именно так и происходит при повторяющихся движениях мячика слева направо и, наоборот, справа налево. После первоначального толчка из неподвижного состояния мячик начинает совершать периодические колебания из самого крайнего левого положения в самое крайнее правое положение.

В примере на рис. 12.1 предполагается, что силы трения нет. А что будет, если пружинку с мячиком подвесить вертикально, как показано на рис. 12.2?

В подвешенном состоянии изменится положение равновесия, но после воздействия внешней силы мячик будет совершать аналогичные периодические движения, но теперь уже вверх-вниз.

Это новое равновесное положение определяется равенством веса мячика ​( mg )​ и силы упругости ​( ky_0 )​ растянутой пружины под действием этого веса:

Итак, новое положение исходного равновесия будет определяться формулой:

Теперь если потянуть мячик вниз с помощью внешней силы и отпустить мячик, то он начнет совершать периодическое движение, как и в прежнем примере (см. рис. 12.1), но теперь уже относительно нового положения равновесия.

Периодическое движение подобного рода называется периодическим колебанием, а крайние положения мячика при таком периодическом движении мячика называются амплитудами периодических колебаний. Амплитуда является важным элементом математического описания простого гармонического движения.

Изучаем свойства простого гармонического движения

Представьте себе, что для изучения простого гармонического движения ученые решили освещенный фонариком мячик из предыдущего примера заснять на движущуюся по горизонтали фотопленку.

После проявки фотопленки на ней оказался четкий волнообразный след, который показан на рис. 12.3.

Оказывается, мячик действительно совершает периодические движения вверх-вниз относительно исходного равновесного положения с амплитудой А. Вблизи точки равновесия скорость мячика максимальна, а в точках амплитуды минимальна.

Траектория мячика очень похожа на синусоидальную кривую, т.е. след мячика на движущейся фотопленке описывается графиком функции ​( sin )​ (“синус”) либо ​( cos )​ (“косинус”) со сдвигом от начала координат. Действительно, решением уравнения простого гармонического движения является функция ​( sin )​ или ​( cos )​.

Изучаем траекторию простого гармонического движения

Построим и рассмотрим внимательно кривую функции:

Наверняка эта функция и ее графическое представление в виде синусоидальной кривой уже знакомо многим читателям этой книги из курса математики. Ее часто можно встретить на экранах разных приборов в реальной жизни или даже в виртуальном мире кино и компьютерных игр.

Пусть освещенный фонариком мячик движется по окружности перпендикулярной плоскости страницы и снимается на движущуюся по горизонтали фотопленку. Тогда после проявки фотопленки на ней снова появится синусоидальная кривая, как показано на рис. 12.4.

Если расположить окружность так, чтобы она была параллельна плоскости страницы (рис. 12.5), то можно легко заметить, что положение мячика определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( theta )​ — это угол поворота мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

Если мячик вращается по окружности с постоянной угловой скоростью, то ​( theta=omega t )​ и ​( x=Acos(omega t) )​.

Определяем период простого гармонического движения

Прохождение мячиком пути, равного длине окружности, называется циклом, а время его прохождения — периодом. Период обозначается символом ​( T )​ и измеряется в секундах.

На рис. 12.4 и 12.5 полный цикл соответствует движению мячика от исходного положения с амплитудой ​( A )​, затем к положению с амплитудой ​( -A )​, а потом снова к положению с амплитудой ( A ).

Как связан период с уже знакомыми нам параметрами движения? За один цикл мячик проходит угол величиной ​( 2pi )​ за период ​( T )​, т.е. его угловая скорость равна:

Откуда получаем выражение для периода:

Для характеристики периодического движения часто используют понятие частота, которое равно количеству циклов за единицу времени. Например, если мячик на рис. 12.4 совершает 1000 полных оборотов в секунду, то его частота равна 1000 с^-1. В системе СИ частоту измеряют в герцах (или сокращенно Гц), т.е. 1 с^-1 = 1 Гц. Таким образом, частота вращения мячика по окружности равна 1000 Гц.

Частота ​( f )​ и период ​( T )​ связаны очень простым соотношением:

Поскольку:

то теперь можно легко найти связь между частотой и угловой скоростью:

При описании периодических движений угловую скорость ​( omega )​ часто называют циклической частотой.

Определяем скорость в простом гармоническом движении

На рис. 12.5 мячик совершает движение по окружности, а координата перемещения по оси X определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( omega )​ — это угловая скорость мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

В любой точке с координатой х мячик обладает некоторой скоростью, которая зависит от времени. Как выразить ее с помощью математической формулы?

Очень просто, ведь для этого достаточно вспомнить о связи между угловой ​( omega )​ и тангенциальной ​( v )​ скоростью (см. главу 10):

Поскольку в данном случае ​( r=A )​, то в итоге получим для тангенциальной скорости:

Теперь для определения скорости периодических колебаний следа мячика по оси X на фотопленке нужно вычислить проекцию тангенциальной скорости на ось X:

(Здесь знак “минус” возникает, поскольку фотопленка движется вниз и ось Y направлена вниз, а потому угол ​( beta )​ между вектором скорости и осью X равен ​( 180^circ+theta )​, a ​( sin(beta)=sin(180^circ+theta )=-sin(theta) )​. — Примеч. ред.)

После подстановки выражений для ​( theta=omega t )​ и для ​( v=Aomega )​ получим:

Обратите внимание, что скорость меняется от исходного положения с амплитудой перемещения ​( A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​, затем к положению с амплитудой перемещения ​( 0 )​ и амплитудой скорости ​( -Aomega )​, потом к положению с амплитудой перемещения ​( -A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​, затем к положению с амплитудой перемещения ​( 0 )​ и амплитудой скорости ​( Aomega )​, а потом снова к положению с амплитудой перемещения ​( A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​.

Как видите, в простом гармоническом движении амплитуда скорости ​( A_v=Aomega )​ связана с амплитудой перемещения ​( A_х=A )​ формулой:

Рассмотрим следующий простой пример. Представьте себе, что несколько отчаянных парней и девушек прыгают с высоты с помощью эластичной веревки. Известно, что при прыжке с некоторой высоты относительно точки равновесия максимальная скорость в точке равновесия одного из смельчаков достигает величины 4 м/с. Он решает в 10 раз увеличить высоту прыжка. Какой будет его максимальная скорость в точке равновесия?

Итак, амплитуда скорости в первом прыжке ​( A_{v1}=-A_{х1}omega )​ равна 4 м/с. Амплитуда перемещения во втором прыжке (с новой высоты) в 10 раз больше амплитуды перемещения в начале, т.е. ​( A_{х2}=10A_{х1} )​. Вопрос: чему равна амплитуда скорости ( A_{v2}=-A_{х2}omega ) во втором прыжке? Подставляя выражение для ( A_{х2}=-omega/A_{v1} ) в формулу ( A_{х2}=10A_{х1} ), а затем в формулу ( A_{v2}=-A_{х2}omega ), получим:

Итак, при увеличении амплитуды прыжка в 10 раз амплитуда скорости возрастает тоже в 10 раз, т.е. становится равной 40 м/с.

Определяем ускорение в простом гармоническом движении

Вернемся к примеру на рис. 12.5, где мячик совершает движение по окружности. Его координата перемещения по оси X определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( omega )​ — это угловая скорость мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

Как мы уже выяснили в предыдущем разделе, его скорость перемещения по оси X определяется формулой:

Однако вращательное движение мячика также характеризуется центростремительным ускорением. Как выразить ее с помощью математической формулы?

Как известно (см. главу 10), угловая скорость ​( omega )​ центростремительное ускорение ​( a )​ связаны следующей формулой:

Поскольку в данном случае ​( r=A )​, то в итоге получим для центростремительного ускорения:

Теперь для определения ускорения периодических колебаний следа мячика по оси X на фотопленке нужно вычислить проекцию центростремительного ускорения на ось X:

(Здесь знак “минус” возникает, поскольку фотопленка движется вниз и ось Y направлена вниз, а потому угол ​( gamma )​ между вектором центростремительного ускорения и осью X равен ​( 180^circ + theta )​, a ​( cos(gamma)=cos(180^circ + theta)=-cos(theta) )​. — Примеч. ред.)

После подстановки выражений для ​( theta=omega t )​ и для ​( a=Aomega^2 )​ получим:

Как видите, в простом гармоническом движении амплитуда ускорения ​( A_а=Aomega^2 )​ связана с амплитудой перемещения ​( A_х=A )​ формулой:

Рассмотрим еще один простой пример. Пусть диафрагма (тоненькая пластинка) в трубке домашнего телефона совершает простое гармоническое движение с частотой ​( theta=omega t )​ величиной 1 кГц (т.е. 1000 Гц) и амплитудой перемещения ( A_х=A ) величиной 1,0·10^-4 м. Чему равна амплитуда ускорения мембраны ​( A_а )​?

Поскольку ​( omega=2pi!f )​, то после подстановки этого выражения в предыдущую формулу ( A_а=-A_хomega^2 ) получим:

Подставляя численные значения, получим:

Как видите, мембрана обычного телефона испытывает очень большое ускорение, которое почти в 400 раз больше ускорения свободного падения ​( g )​ = 9,8 м/с² под действием гравитационного притяжения Земли.

Определяем частоту колебаний груза на пружине

С математической точки зрения колебания груза на пружине и движение мячика по окружности (см. предыдущие разделы этой главы) принципиально не отличаются. Дело в том, что оба эти движения являются простыми гармоничными. Поэтому их основные характеристики (например, скорость, ускорение, частота и период колебаний) должны описываться аналогичными математическими формулами. Остановимся и подробно проследим за этой аналогией.

Как известно, согласно закону Гука (см. выше в этой главе), при растяжении пружины на величину ​( x )​ возникает упругая сила ​( F )​, которая равна:

где ​( k )​ — это коэффициент пропорциональности.

Согласно закону Ньютона (см. главу 5), сила и вызванное ею ускорение ​( a )​ связаны следующим соотношением:

откуда получаем:

Из предыдущего раздела нам уже известно, что в простом гармоническом движении перемещение и ускорение выражаются следующими формулами:

и

Подставляя эти выражения в предыдущую формулу, полученную на основе законов Гука и Ньютона, получим:

Сокращая некоторые переменные, получим:

Откуда легко можно выразить циклическую частоту:

Поскольку ​( omega=2pi!f )​ и ( omega=2pi/T )​, то после подстановки предыдущего выражения в эти формулы получим:

и

Пусть пружина на рис. 12.1 обладает коэффициентом упругости ​( k )​, равным 1,0·10^-2 Н/м, а к ней прикреплен груз массой 4 г. Чему будет равен период колебаний груза на пружине? Подставляя значения в предыдущую формулу для периода, получим:

А какова частота этих колебаний? Снова подставляя значения в предыдущую формулу для частоты, получим:

Используя формулы перемещения, скорости и ускорения для простого гармонического движения (см. ранее в этой главе):

можно вычислить координату, скорость и ускорение груза на пружине в произвольный момент времени. Как будут выглядеть эти формулы для задачи с грузиком на пружине?

Сначала вычислим циклическую частоту:

Если амплитуда ​( A )​ равна 10 см, то получим:

Вычисляем энергию простого гармонического движения

В простом гармоническом движении периодически происходит увеличение и уменьшение кинетической энергии, например груза на пружине. Ясно, что кинетическая энергия груза не пропадает, а преобразуется в энергию сжатой или растянутой пружины. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией пружины. Сколько энергии запасено в сжатой или растянутой пружине?

Попробуем вычислить ее с помощью простых соображений. Как известно, работа ​( A )​ силы ​( F )​ при перемещении на расстояние ​( s )​ равна:

При сжатии или растяжении пружины сила ​( F )​ меняется линейно с расстоянием, поэтому работу этой силы по сжатию или растяжению пружины на расстояние ( s ) можно представить как произведение средней силы ​( overline{F} )​ на перемещение ( s ):

Средняя ( overline{F} ) сила определяется как:

где ​( F_1=-kx_1 )​ — это сила упругости в точке с координатой ​( x_1 )​, a ( F_2=-kx_2 ) — сила упругости в точке с координатой ( x_2 )​. При этом перемещение ​( s )​ будет равно:

Подставляя выражения для ( s ) и ( overline{F} ) в формулу работы, получим:

Члены ​( frac{kx^2_1}{2} )​ и ( frac{kx^2_2}{2} ) выражают упругую потенциальную энергию пружины ​( E_{у1} )​ и ( E_{у2} ) в точках с координатами ​( x_1 )​ и ( x_2 ), соответственно. Таким образом, работа силы упругости равна изменению упругой потенциальной энергии пружины:

Рассмотрим простой пример. Насколько возрастет упругая потенциальная энергия пружины с коэффициентом упругости 1,0·10^-2 Н/м при сжатии ее на 10 см? Подставляя значения в формулу

получим:

Учтите, что при изменении упругой потенциальной пружины с грузом (при отсутствии внешних сил) изменяется кинетическая энергия груза. Причем эти изменения происходят так, что неизменной остается полная энергия системы, состоящей из пружины и груза. Например, при достижении точки равновесия пружина полностью разжимается, и ее упругая потенциальная энергия становится равной нулю, а кинетическая энергия груза при этом становится максимальной. И наоборот, при максимальном сжатии или растяжении пружины ее упругая потенциальная энергия становится максимальной, а кинетическая энергия груза при этом становится равной нулю.

Качаемся вместе с маятником

Еще одним типичным примером простого гармонического движения (кроме груза на пружине) является простой маятник, который показан на рис. 12.6.

Можно ли движение маятника описать математическими формулами простого гармонического движения, которые (выше в этой главе) использовались для описания движения груза на пружине? Да, и вот почему.

Дело в том, что на маятник, подвешенный на нити длиной ​( L )​ и отклоненный на угол ​( theta )​, действует сила гравитационного притяжения ​( mathbf{F}=mmathbf{g} )​. Перпендикулярная нити компонента силы создает сопротивление движению:

Момент этой компоненты силы

определяет угловое ускорение маятника ​( alpha )​:

Отсюда получаем формулу математического маятника:

(Математическим маятником называется идеализированная система, состоящая из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешен груз с массой, сосредоточенной в одной точке. — Примеч. ред.)

При малых колебаниях, т.е. при малых значениях угла ​( theta )​; можно считать, что ​( sin(theta)approxtheta )​, и тогда прежняя формула приобретает следующий вид:

Эта формула связи ускорения и перемещения объекта очень похожа на прежние формулы простого гармонического движения груза на пружине и мячика по окружности (см. ранее в этой главе). Но прежде в эту формулу входило линейное перемещение, а теперь — угловое.

По аналогии с прежними формулами связи ускорения и перемещения объекта, совершающего простое гармоническое движение, коэффициент пропорциональности между ускорением и перемещением ​( g/L )​ равен квадрату циклической частоты ​( omega^2 )​. Отсюда получаем, что:

Далее, поскольку ​( omega=2pi!f )​ и ( omega=2pi/T ), то после подстановки предыдущего выражения в эти формулы получим:

и

Обратите внимание, что период качаний математического маятника не зависит от его массы!

Во многих механизмах используется потенциальная и кинетическая энергия пружины. Их используют для выполнения различных действий. В отдельных узлах они фиксируют детали в определенном положении, не позволяя смещать в какую-либо сторону (барабан револьвера относительно корпуса). Другие пружинные системы возвращают исполнительный механизм в исходное положение (курок ручного огнестрельного оружия). Есть устройства, где узлы с гибкими свойствами совершают перемещения в устойчивое положение (механические стабилизаторы).

Работа связана с изменением геометрических параметров упругого тела. Прилагая нагрузку, заставляют эластичную деталь сжиматься (растягиваться или изгибаться). При этом наблюдается запасание энергии. Возвратное действие сопровождается набором скорости. Попутно возрастает кинетическая энергия.

Потенциальная энергия пружины

Рассматривая в качестве накопителя энергии пружину, следует отметить ее отличительные свойства от иных физических тел, которые могут накапливать энергетический потенциал. Традиционно понимается следующее: для накопления потенциала для последующего движения необходимо совершение движения в силовом поле:

Е_п = F ⋅ l, Дж (Н·м),

где Е_п– потенциальная энергия положения, Дж;
F – сила, действующая на тело, Н;
l – величина перемещения в силовом поле, м.

Энергия (работа) измеряются в Джоулях. Величина представляет произведение силы (Н) на величину перемещения (м).

Если рассматривать условие в поле тяготения, то величина силы находится произведением ускорения свободного падения на массу. Здесь сила веса находится с учетом g:

Е_п = G ⋅ h = m ⋅ g ⋅ h, Дж

здесь G – вес тела, Н;
m – масса тела, кг;
g – ускорение свободного падения. На Земле эта величина составляет g = 9,81 м/с².

Если расстраивается пружина, то силу F нужно определять, как величину, пропорциональную перемещению:

F = K ⋅ x, Н,

где k – модуль упругости, Н/м;
х – перемещение при сжатии, м.

Величина сжатия может изменяться по величине, поэтому математики предложили анализировать подобные явления с помощью бесконечно малых величин (dx) .

При наличии непостоянной силы, зависящей от перемещения, дифференциальное уравнение запишется в виде:

dE_п = k ⋅ x ⋅ dx

здесь dE_п – элементарная работа, Дж;
dx – элементарное приращение сжатия, Н.

Интегральное уравнение на конечном перемещении запишется в виде. Ниже вывод формулы:

Пределами интегрирования является интервал от 0 до х. Деформированная пружина приобретает запас по энергетическим показателям

Окончательно формула для расчета величины потенциальной энергии сжатия (растягивания или изгиба) пружины запишется формулой:

Закон сохранения механической энергии

Закон сохранения энергии существует независимо от желания наблюдателя. Все физические законы имеют статистический характер: существуют только подтверждения их выполнения, нет ни одного адекватно выполненного опыта, при котором наблюдается нарушение этой закономерности. Природные явления только подтверждают сохранность работы и энергозатрат, затраченных на ее выполнение.

На основании изложенного сформулировано положение:

где Е_к – кинетическая энергия, Дж.

Рассматривая перемещения тела, наблюдаются изменения потенциальной и кинетической энергий. При этом сумма значений остается постоянной.

Проще всего проследить за изменениями между разными видами энергетических показателей при рассмотрении движения маятника.

Из крайнего положения (шарик на нити отклонился в одну из сторон, Еп = max) тело движется под действием силы тяжести. При этом снижается запасенная энергия. Движение сопровождается увеличением скорости. Поэтому нарастают показатели динамического перемещения Е_к.

В нижней точке не остается никаких запасенных эффектов от положения шарика. Он опустился да минимума. Теперь Е_к =max.

Поучается, при совершении гармонических колебаний маятник поочередно накапливает то один, то другой вид энергии. Механические превращения из одного вида в другой налицо.

Кинетическая энергия

Движущееся тело характеризуется скалярной величиной (масса) и векторная величина (скорость). Если рассматривать реальное перемещение в пространстве, то можно записать уравнение для определения кинетической энергии:

здесь v – скорость движения тела, м/с.

Использование кинетического преобразования можно наблюдать при колке орехов.

Приподняв камень повыше, далекие предки создавали необходимый потенциал для тяжелого тела.

Приподняв камень на максимальную высоту, разрешают ему свободно падать.

Двигаясь с высоты h, он набирает скорость

Поэтому в конце падения будет получена кинетическая энергия

Рассматривая входящие величины, можно увидеть, как происходит преобразование величин. В конце получается расчетная формула для определения потенциальной энергии.

Даже на уровне вывода зависимостей можно наблюдать выполнение закона сохранения энергии твердого тела.

Использование энергии пружины на практике

Явление преобразования потенциальной энергии пружины в кинетическую используется при стрельбе из лука.

Натягивая тетиву, стреле сообщается потенциал для последующего движения. Чем жестче лук, а также ход при натягивании тетивы, тем выше будет запасенная энергия. Распрямляясь дуги этого оружия, придадут метательному снаряду значительную скорость.

В результате стрела полетит в цель. Ее поражающие свойства определятся величиной кинетической энергии (mv²/2).

Для гашения колебаний, возникающих при движении автомобиля, используют амортизаторы. Основным элементом, воспринимающим вертикальную нагрузку, являются пружины. Они сжимаются, а потом возвращают энергию кузову. В результате заметно снижается ударное воздействие. Дополнительно устанавливается гидроцилиндр, он снижает скорость обратного движения.

Рассмотренные явления используют при проектировании механизмов и устройств для автоматизации процессов в разных отраслях промышленности.

Видео: закон Гука и энергия упругой деформации.

Republished by Blog Post Promoter