Ruch drgający · Wahadło sprężynowe
Drgania sprężyn i wahadło sprężynowe
Prawo Hooke’a i łączenie sprężyn
W zakresie małych, sprężystych odkształceń siła sprężystości rośnie proporcjonalnie do wydłużenia lub ściśnięcia:
oznacza sztywność sprężyny w , a — jej odkształcenie względem długości swobodnej. Minus oznacza, że siła działa przeciwnie do odkształcenia. Po przekroczeniu granicy sprężystości sprężyna może nie wrócić do pierwotnego kształtu.
Prawo Hooke’a i łączenie sprężyn
Dla dwóch sprężyn połączonych równolegle ich sztywności się dodają: . Układ jest wtedy sztywniejszy.
Przy połączeniu szeregowym dodają się odwrotności sztywności: . Układ jest wtedy mniej sztywny. i to sztywności sprężyn, a — sztywność zastępcza.
Poziomy oscylator sprężynowy
Wychylenie mierz od położenia równowagi. Dla idealnego układu poziomego siła wypadkowa wynosi , więc ruch jest harmoniczny. Okres i częstotliwość drgań to:
oznacza masę, a — sztywność sprężyny. Większa masa wydłuża okres, sztywniejsza sprężyna go skraca. W tym modelu okres nie zależy od amplitudy.
Pionowy oscylator sprężynowy
Zawieszony ciężarek wydłuża sprężynę do równowagi o , gdzie to jego masa, a — przyspieszenie grawitacyjne. Wychylenie mierz od tego nowego położenia równowagi.
Po uwzględnieniu ciężaru siła wypadkowa nadal wynosi , dlatego okres pozostaje . Grawitacja przesuwa położenie równowagi, ale nie zmienia okresu.
Pionowy oscylator sprężynowy
Gdy ciało porusza się razem z pionową platformą, siła nacisku wynosi , jeśli zwrot do góry przyjmiesz jako dodatni. jest chwilowym przyspieszeniem ciała.
W najwyższym punkcie drgań , więc . Kontakt jest zachowany, gdy . Przy większym przyspieszeniu platforma opada szybciej niż ciało może za nią podążać i ciężarek się odrywa.
Co warto zapamiętać?
Wychylenie w równaniu mierz od położenia równowagi, a odkształcenie w prawie Hooke’a — od długości swobodnej sprężyny. To różne punkty odniesienia, zwłaszcza dla sprężyny pionowej. Pamiętaj też: równoległe sprężyny zwiększają sztywność, a szeregowe ją zmniejszają.