Ruch drgający · Wahadło matematyczne
Wahadło matematyczne — teoria
Model i siła przywracająca
Wahadło matematyczne to model małego ciężarka o masie , zawieszonego na lekkiej, nierozciągliwej nici o długości . Zakładamy, że opory ruchu są pomijalne, a wahadło porusza się w jednorodnym polu grawitacyjnym.
Kąt wychylenia mierzymy od pionu. Dla małych wychyleń ruch wahadła można opisać jako harmoniczny.
Model i siła przywracająca
Na ciężarek działa siła ciężkości i naprężenie nici. Naprężenie utrzymuje go na łuku, a styczna składowa ciężaru przyciąga go ku najniższemu położeniu:
Dla małych kątów wyrażonych w radianach . Ponieważ wychylenie po łuku wynosi , otrzymujemy . To proporcjonalność potrzebna do drgań harmonicznych.
Okres drgań
Dla małych kątów częstość kołowa i okres wahadła wynoszą:
to długość od punktu zawieszenia do środka ciężarka, a — przyspieszenie grawitacyjne. Okres rośnie z długością nici i maleje przy większym . Nie zależy od masy ciężarka; ten wzór nie opisuje dużych wychyleń.
Energia wahadła
Pomijając opory, energia mechaniczna wahadła jest stała i zamienia się między energią potencjalną a kinetyczną. W skrajnych położeniach prędkość jest równa zeru; w najniższym punkcie jest największa.
Jeśli ciężarek opada z wysokości , to , więc . Dla maksymalnego kąta wysokość wynosi .
Wahadło w windzie
W układzie windy zmienia się efektywne przyspieszenie grawitacyjne. Gdy winda przyspiesza w górę z wartością , ; gdy przyspiesza w dół, . Dla małych kątów okres wynosi .
W swobodnym spadku , więc ciężarek nie ma siły przywracającej do pionowego położenia równowagi i zwykłe drgania wahadła nie zachodzą.
Pomiar przyspieszenia grawitacyjnego
Zmierz długość od punktu zawieszenia do środka ciężarka. Zmierz czas wielu pełnych drgań i podziel go przez ich liczbę : . Następnie oblicz przyspieszenie grawitacyjne:
Powtórz pomiar dla kilku długości. Wykres powinien być linią prostą o nachyleniu .
Zapamiętaj
Wzór działa dla małych kątów i pomijalnych oporów. Mierz do środka ciężarka, a nie tylko długość nici. Okres nie zależy od masy wahadła.