Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника
Дослідження особливостей вільних затухаючих коливань пружинного маятника. Визначення сил пружності і тяжіння. Параметри коливальної системи та характеристики коливань. Розрахунок логарифмічного декремента, коефіцієнта затухання пружинного маятника.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 23.07.2017 |
| Размер файла | 43,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Варіант 2
Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника
1. Мета роботи
Вивчити вільні затухаючі коливання пружинного маятника, визначити параметри коливальної системи та характеристики коливань (жорсткість пружини, коефіцієнт опору, період коливань, логарифмічний декремент, коефіцієнт затухання), а також дослідити їх залежність від маси маятника.
2. Теоретичні відомості
Пружинним маятником називають систему, яка складається з невеликого тіла масою m, підвішеного на вертикальній пружині жорсткістю k, другий кінець якої закріплений.
Масою пружини нехтують (рис. 1).
В положенні рівноваги (x =0) сила тяжіння, що діє на кульку врівноважується силою пружності:
, (1)
де - видовження пружини в стані рівноваги.
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Рис. 1
При зміщенні тіла від положення рівноваги сила пружності буде більшою або меншою за силу тяжіння і їхня рівнодійна F буде направлена до положення рівноваги, а її модуль дорівнюватиме:
(2)
За законом Гука:
, (3)
де x - зміщення системи від положення рівноваги, - величина деформації пружини, знак “-” свідчить про те, що сила пружності за напрямком протилежна до деформації.
Підставимо у формулу (2) вирази (3) та (1) і отримаємо:
затухання пружинний маятник коливальний
(4)
Рівнодійна сил пружності і тяжіння пропорційна зміщенню x і направлена до положення рівноваги, тобто є повертаючою силою, під дією якої в системі відбуваються вільні коливання.
Крім повертаючої сили F на систему діє сила опору середовища, в якому вона перебуває.
, (5)
де r - коефіцієнт опору, - швидкість системи. Знак “-” свідчить про те, що сила опору направлена проти швидкості.
Запишемо закон динаміки для руху тіла:
(6)
Підставимо в це рівняння вираз для швидкості та прискорення та отримаємо:
Поділимо рівняння на m і введемо позначення:
(7)
, (8)
де r, m, k - параметри пружинного маятника.
Тоді остаточно диференціальне рівняння затухаючих коливань матиме вигляд:
. (9)
Розв'язком цього рівняння є функція:
. (10)
Вільні коливання пружинного маятника є затухаючими з амплітудою
,та частотою ; де -
власна частота коливань пружинного маятника.
За формулою зв'язку між періодом та частотою отримаємо вираз для періоду коливань пружинного маятника:
. (11)
Логарифмічний декремент затухання, який характеризує зменшення амплітуди за період коливань, дорівнює:
. (12)
З рівнянь (7), (11), (12) видно, що коефіцієнт затухання, період, логарифмічний декремент затухання залежать від параметрів системи.
3. Методика вимірювання
Методика виконання даної роботи полягає в тому, що за виміряним значенням амплітуди коливань А0 в початковий момент часу та амплітуди Аn через час t, за який відбулось n коливань, визначається період коливань T, коефіцієнт затухання в та логарифмічний декремент затухання д за формулами:
, (13) , (14) , (15)
Для визначення жорсткості пружини використовується додатковий тягарець масою М, який додається до тіла, підвішеного на пружині, і призводить до її додаткового видовження .
Тоді за умови рівноваги:
розкриємо дужки і отримаємо:
.
Враховуючи вираз (1) остаточно отримаємо формулу для розрахунку жорсткості пружини:
. (16)
Коефіцієнт опору r згідно виразу (7):
. (17)
4. Порядок виконання роботи
Відтягнути підвішене на пружині тіло від положення рівноваги і відпустити.
Пропустити 1-2 повних коливань та виміряти по шкалі початкову амплітуду коливань А0, увімкнувши одночасно секундомір. Результат записати в таблицю 1.
Відрахувати 20-30 повних коливань і виміряти амплітуду коливань Аn та час, за який відбулися ці коливання. Результати записати в таблицю 1.
Всі вимірювання провести три рази і визначити середні значення виміряних величин.
За середніми значеннями визначити період коливань, коефіцієнт затухання, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт опору середовища за формулами (13-15, 17). Результати записати в таблицю 2.
Після припинення коливань додати до тіла масою m тягарець масою M і визначити додаткове видовження пружини . За формулою (16) визначити коефіцієнт жорсткості пружини k. Результати записати в таблицю 2.
Відтягнути тіло з додатковим вантажем від положення рівноваги і відпустити. Повторити пункти 2-5 і результати записати в таблицю 2.
Таблиця 1
|
№ |
А0, м |
Аn, м |
n |
t, c |
|
|
1 |
|||||
|
2 |
|||||
|
3 |
|||||
|
Середні значення |
Таблиця 2
|
Маса тіла, кг |
Т, с |
д |
k, |
r, |
||
5. Контрольні запитання
Що таке пружинний маятник?
Під дією яких сил відбуваються вільні затухаючі коливання пружинного маятника?
Записати диференціальне рівняння затухаючих коливань пружинного маятника та його розв'язок.
Який фізичний зміст мають і в яких одиницях вимірюються період коливань, коефіцієнт затухання та логарифмічний декремент затухання?
Назвіть параметри пружинного маятника та одиниці їх вимірювання.
Проаналізуйте залежність характеристик затухаючих коливань від параметрів пружинного маятника.
Прилади та обладнання
Пружинний маятник із шкалою відліку, лінійка, секундомір, тягарець.
Література
Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Київ, “Техніка”, 1999.-Т.1, §§10.2, 10.8.
Савельев И.В. Курс общей физики. М. “Наука”, 1982.-Т1, §§50, 58.
Размещено на Аllbеst.ru
...Подобные документы
Свободные, вынужденные, параметрические и затухающие колебания, автоколебания. Понятие математического и пружинного маятника. Вывод формулы для расчета периода пружинного маятника. Механические колебания и волны. Циклическая частота и фаза колебания.
презентация [474,0 K], добавлен 12.09.2014Гармонічні коливання однакового напрямку і однакові частоти та биття. Циклічні частоти, значення амплітуди. Додавання взаємно перпендикулярних коливань та фігури Ліссажу. Диференціальне рівняння вільних затухаючих коливань та його розв’язування.
реферат [581,6 K], добавлен 06.04.2009Використання фізичного маятника з нерухомою віссю обертання античними будівельниками. Принцип дії фізичного маятника. Пошук обертаючого моменту. Період коливань фізичного маятника та їх гармонійність. Диференціальне рівняння руху фізичного маятника.
реферат [81,9 K], добавлен 29.04.2010Енергія гармонічних коливань та додавання взаємно перпендикулярних коливань. Диференціальне рівняння затухаючих механічних та електромагнітних поливань і його рішення, логарифмічний декремент затухання та добротність. Вимушені коливання та їх рівняння.
курс лекций [3,0 M], добавлен 24.01.2010Математичний маятник та матеріальна точка. Перевірка справедливості формули періоду коливань математичного маятника для різних довжин маятника і різних кутів відхилення від положення рівноваги. Механічні гармонічні коливання та умови їх виникнення.
лабораторная работа [89,0 K], добавлен 20.09.2008Определение понятия свободных затухающих колебаний. Формулы расчета логарифмического декремента затухания и добротности колебательной системы. Представление дифференциального уравнения вынужденных колебаний пружинного маятника. Сущность явления резонанса.
презентация [95,5 K], добавлен 24.09.2013Общие характеристики колебаний, их виды, декремент затухания, добротность колебательной системы. Уравнение собственных затухающих колебаний физического и пружинного маятников. Сущность периодического и непериодического механизма затухающих колебаний.
курсовая работа [190,0 K], добавлен 13.11.2009Колебания как один из самых распространенных процессов в природе и технике. График затухающих колебаний. Математический и пружинный маятники. Резонанс как резкое возрастание амплитуды колебаний. Вывод формулы для расчета периода пружинного маятника.
презентация [515,1 K], добавлен 19.10.2013Особенности колебаний, имеющих физическую природу. Характеристика схемы пружинного маятника. Исследование колебаний физических маятников. Волновой фронт как геометрическое место точек, до которых доходят колебания к рассматриваемому моменту времени.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 01.11.2013Изучение законов колебательного движения на примере физического маятника. Определение механических, электромагнитных и электромеханических колебательных процессов. Уравнение классического гармонического осциллятора и длины математического маятника.
контрольная работа [44,6 K], добавлен 25.12.2010Оборудование и измерительные приборы, определение периода колебаний физического маятника при помощи метода прямых и косвенных измерений с учетом погрешности. Алгоритм оценки его коэффициента затухания. Особенности вычисления момента инерции для маятника.
лабораторная работа [47,5 K], добавлен 06.04.2014Законы изменения параметров свободных затухающих колебаний. Описание линейных систем дифференциальными уравнениями. Уравнение движения пружинного маятника. Графическое представление вынужденных колебаний. Резонанс и уравнение резонансной частоты.
презентация [95,6 K], добавлен 18.04.2013Анализ уравнения движения математического маятника. Постановка прямого вычислительного эксперимента. Применение теории размерностей для поиска аналитического вида функции. Разработка программы с целью нахождения периода колебаний математического маятника.
реферат [125,4 K], добавлен 24.08.2015Законы изменения и сохранения момента импульса и полной механической энергии системы. Измерение скорости пули с помощью баллистического маятника. Период колебаний физического маятника. Расчет погрешности прямых и косвенных измерений и вычислений.
лабораторная работа [39,7 K], добавлен 25.03.2013Исследование момента инерции системы физических тел с помощью маятника Обербека. Скорость падения физического тела. Направление вектора вращения крестовины маятника Обербека. Момент инерции крестовины с грузами. Значения абсолютных погрешностей.
доклад [23,1 K], добавлен 20.09.2011Законы динамики вращательного движения и определение скорости полета пули. Расчет угла поворота и периода колебаний крутильно-баллистического маятника. Определение момента инерции маятника, прямопропорционального расстоянию от центра масс до оси качания.
контрольная работа [139,2 K], добавлен 24.10.2013Поняття гармонічних коливань, їх сутність та особливості, основні характеристики та відмінні риси, необхідність вивчення. Різновиди гармонічних коливань, їх характерні властивості. Гармонічний осцилятор як диференційна система, різновиди, призначення.
реферат [529,1 K], добавлен 06.04.2009Гармонічний коливальний рух та його кінематичні характеристики. Приклад періодичних процесів. Описання гармонічних коливань. Одиниці вимірювання. Прискорення тіла. Періодом гармонічного коливального руху. Векторні діаграми. Додавання коливань.
лекция [75,0 K], добавлен 21.09.2008Аналіз підходу до вивчення коливань, заснованого на спільності рівнянь, що описують коливальні закономірності і дозволяють виявити глибокі зв'язки між різними явищами. Вільні одномірні коливання. Змушені коливання. Змушені коливання при наявності тертя.
курсовая работа [811,5 K], добавлен 22.11.2010Рівняння руху маятникового акселерометра. Визначення похибок від шкідливих моментів. Вибір конструктивної схеми: визначення габаритів та маятниковості, максимального кута відхилення, постійної часу, коефіцієнта згасання коливань. Розрахунок сильфону.
курсовая работа [139,8 K], добавлен 17.01.2011
