📜  简谐运动的力定律

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:37.687000             🧑  作者: Mango

简谐运动的力定律

你有没有想过,为什么当我们拉伸松紧带然后松开它时,它会恢复到原来的状态?它被一种力量强迫恢复到原来的状态。但这股力量究竟是什么?让我们研究这个力并发展简谐运动的力定律。

周期性运动是我们已经熟悉的东西。周期性运动被定义为以相等的时间间隔重复自身的运动。例如,时钟指针的运动、汽车车轮的运动和旋转木马的运动。在自然界中,所有这些运动都是重复的。他们在一段时间后重复自己。

振荡运动是一种周期性运动,其中项目围绕其平衡位置振荡。在给定的时间后,该项目重复相同的移动序列。振荡就是这样的一系列运动。在基本摆的运动、树叶在微风中的运动和摇篮的运动中可以看到振荡运动。

简谐运动 (SHM)

摆动基本摆会使其远离平均平衡点。当它到达其具有最大位移的极端位置时,它会停下来,它的速度变为零。由于作用在平衡位置方向的力,它返回到其平衡位置。

它现在穿过其正常位置,但不会停止。它转移到另一个极端位置。之后,它又回到了原来的位置。振荡是一种全运动。基本摆的摆动是简谐运动的一个很好的例证。

因此,如果作用在物体上的恢复力与从平均位置的位移成正比并且总是倾向于反对它,则称物体的运动为简谐运动。恢复力的方向与位移的方向相反。

以简谐运动运动的粒子的加速度由下式给出,

a(t) = -ω 2 x(t)

其中 ω 是粒子的角速度。

现在让我们讨论一些与粒子的简谐运动相关的重要术语:

  1. 位移 (x):任何时刻的位移定义为执行 SHM 的身体从其平均或平衡位置行进的净距离。
  2. 幅度 (A):振荡幅度定义为身体在平均位置两侧执行 SHM 的最大位移。
  3. 速度 (v):任何时刻的速度定义为位移随时间的变化率。对于执行 SHM 的物体,其速度在平均位置最大,在极端位置最小(零)。物体的速度与从平均位置的位移成反比。
  4. 加速度 (a):加速度定义为速度随时间的变化率。与速度不同,加速度与位移成正比。它在位移最大的极端位置最大,在平均位置(位移 = 0)最小。
  5. 恢复力 (F R ):恢复力是始终作用于与位移方向相反但与其成正比的力。恢复力在极端位置最大,在平均位置最小。
  6. 弹簧常数 (k):弹簧常数是特定弹簧的常数值,它确定将弹簧压缩或拉伸 1 个单位所需的力的大小。
  7. 能量(E): SHM下物体的总能量称为机械能,如果介质是无摩擦的,物体的机械能在整个运动过程中保持不变。物体在任何时刻的机械能是其动能和势能的总和。
  8. 时间周期 (T):振荡的时间周期定义为身体完成一次振荡所用的时间。换句话说,就是覆盖4倍幅度所用的时间。
  9. 频率 (f):频率定义为身体在一秒钟内产生的振动次数。它是时间段的倒数。 f = (1/T)

简谐运动的力定律

让我们用一个例子来发展简谐运动的力定律。简谐运动最基本的例子是弹簧块系统。考虑一个连接到弹簧的质量 m 块,然后将其连接到坚硬的墙上。该块由无摩擦表面支撑。

当我们不拉它时,弹簧处于平衡位置,也就是没有力施加在它上面的时候。在这种情况下,作用在其上的合力为零。让我们尝试两种不同的方法,看看会发生什么。

  1. 当我们将块向外移动时,一个力作用在它上面,试图将它向内拉,朝向它的平衡位置。
  2. 当我们向内压块时,作用在它上面的力会试图将它向外推向平衡位置。

在这两种情况下,我们都可以观察到有一个力作用在块上,试图让它回到平衡位置。这个力就是恢复力,它是简谐运动力定律的基础。让我们弄清楚如何应用这个概念。

恢复力随位移的变化而变化

例子:

微分方程

在 SHM 中完成的工作

SHM 与匀速圆周运动的关系。

如果物体与固定点(中心)的距离在整个运动过程中保持恒定,则称该物体的运动是圆形的。

如果运动中的物体的速度保持不变,则称圆周运动是均匀的。

注意:速度保持不变,但速度不变,因为运动方向不断变化。匀速圆周运动是

加速运动。

物体的匀速圆周运动

考虑到上图,匀速圆周运动下物体在直径上的投影称为简谐运动。

如果我们考虑身体的侧向运动,它看起来好像身体正在沿着直径与中心的直线路径移动

圆为平衡位置。

SHM 中的位移

SHM 中的速度

SHM 中的加速

SHM 中的时间段

SHM 中的频率

动能

势能

单摆

另一个执行 SHM 的物体的例子是一个简单的钟摆,一个简单的钟摆

由从线程中暂停的 bob 组成。如果我们忽略线的质量和周围的摩擦

该系统则将该运动称为 SHM。

作用在执行 SHM 的 bob 上的力

考虑到上图:

The effect of mgcosA is cancelled by Force of Tension [F] as both are acting opposite
to each other. This is why the bob is having zero movement in the vertical direction.
The restoring force is being generated due to mgsinA which is in the direction opposite
to that of displacement.

FR = -mgsin(∠A), now if the angular displacement i.e. ∠A is very small then
∠A = sin(∠A) [Unit of angle is radian]
Therefore, FR = -mg∠A, now ∠A =x/l where x is the linear displacement of the bob
from the mean position and l is the length of the rope or thread used.
Substituting the value of ∠A, we get:
           FR = -mg(x/l)          
The expression states that the restoring force is directly proportional and opposite in direction
to the displacement from the mean position.

示例问题

问题 1:将弹簧拉伸 10 厘米所需的力为 150 N。将弹簧拉伸 100 厘米需要多大的力?计算弹簧的弹簧常数。

解决方案:

问题 2:计算将弹簧常数为 1000 N/m 的弹簧压缩 30 m 所做的功。

解决方案:

问题 3:一个物体做圆周运动,时间周期等于 10 秒。考虑物体沿圆形路径直径的运动。如果在距平均位置的位移处作用在身体上的力为 200 N,则求该点的加速度。 (考虑弹簧常数 = 100 N/m 的弹簧直径)

解决方案:

问题 4:质量为 10 Kg 的物体从最大位移位置开始 2 秒后的速度为 3 m/s。如果频率为(1/8)Hz,求该点的势能和动能,甚至求总能量。

解决方案:

问题5:弹簧常数的意义是什么?写出弹簧常数的尺寸。

解决方案:

问题 6:推导 SHM 下身体势能的表达式。

问题 7:简单谐波运动中物体运动的频率是 10 Hz。计算位移 3 m 时作用在物体上的力

从平均位置。身体的质量是 12 公斤。

问题 8:物体在 SHM 中移动,距离平均位置 3 m,受力为 200 N。物体的质量为 50 kg,

找到振荡频率。

问题 9:一个物体正在进行 SHM,时间周期等于 20 秒。身体的质量是 30 公斤。找到作用在身体上的力

距平均位置 4 m。

问题 10:在 SHM 中,势能和动能值在什么位置最大?

问题 11:主体执行 SHM,周期为 20 秒。在它通过它的振荡中心三秒后,它的速度

发现为 2 m/s。找到幅度。

问题12:物体的匀速圆周运动是简谐运动的例子吗?

问题 13:作用在执行简谐运动的物体上的力是否取决于平均位置的位移?

问题 14:物体的振动频率为 f。它的动能振荡的频率是多少?

问题15:SHM中振荡的粒子的位移和加速度的相位差是多少?