Zadanie 10.4.11: Drgania wahadła matematycznego i sprężynowego w stanie nieważkości
- Punkty
- 3 pkt
- Dział
- Ruch drgający · Wahadło matematyczne
- Trudność
- Poziom trudności: średnie
Treść zadania
W spadającej swobodnie kabinie badawczej zamontowano dwa różne układy drgające: wahadło matematyczne o długości nici oraz pionowe wahadło sprężynowe ze sprężyną o współczynniku sprężystości . Do obu wahadeł przymocowano identyczne obciążniki o masie .
Pomiń opory powietrza, masę nici oraz masę sprężyny. Zagadnienie rozpatruj w nieinercjalnym układzie odniesienia kabiny spadającej swobodnie z przyspieszeniem ziemskim .
a) Przeanalizuj układ sił działających na obciążniki obu wahadeł w nieinercjalnym układzie odniesienia kabiny. Wyjaśnij, dlaczego w kabinie panuje stan nieważkości.
b) Rozstrzygnij, czy każde z wahadeł może wykonywać drgania w tych warunkach. Jeśli tak — oblicz okres jego drgań ; jeśli nie — uzasadnij brak możliwości wykonywania drgań na podstawie pojęcia siły zwrotnej.
Odpowiedź i wynik końcowy
a) W nieinercjalnym układzie odniesienia spadającej kabiny na każdy obciążnik działa siła grawitacji (w dół) oraz siła bezwładności (w górę); ich wypadkowa wynosi zero (), co oznacza stan nieważkości ().
b) Wahadło matematyczne nie może drgać, ponieważ brak efektywnego ciążenia oznacza brak siły zwrotnej (, formalnie ). Wahadło sprężynowe wykonuje drgania, a jego okres wynosi .
a: a) W nieinercjalnym układzie odniesienia spadającej kabiny na każdy obciążnik działa siła grawitacji (w dół) oraz siła bezwładności (w górę); ich wypadkowa wynosi zero (), co oznacza stan nieważkości ().
b: b) Wahadło matematyczne nie może drgać, ponieważ brak efektywnego ciążenia oznacza brak siły zwrotnej (, formalnie ). Wahadło sprężynowe wykonuje drgania, a jego okres wynosi .