5.1. Περιοδικά φαινόμενα 5.2. Γραμμική αρμονική ταλάντωση με ελατήριο 5.3. Απλό εκκρεμές

Transcript

1 199 5 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ 5.1. Περιοδικά φαινόμενα 5.2. Γραμμική αρμονική ταλάντωση με ελατήριο 5.3. Απλό εκκρεμές

2 200 Ευχαριστημένος που έγινε το χατήρι του για πολλοστή φορά. Βλέπει τον κόσμο κάτω από τα πόδια του, να κινείται πέρα-δωθε, χωρίς ο ίδιος να κάνει τίποτα. Εκτός από το να απαιτεί, κλαίγοντας αν χρειαστεί, να τον σπρωξουν πάλι, κάθε φορά που διαπιστώνει ότι η κίνηση ατονεί. Κάνει ταλάντωση. Πότε μία κίνηση λέγεται ταλάντωση και ποιες οι εξισώσεις που την περιγράφουν; Με ποιο τρόπο ένα σωμα υποχρεώνεται να εκτελέσει μία τέτοια κίνηση και τι ισχύει τότε για την ολική του ενέργεια; Στα προηγούμενα καθώς και σε άλλα συναφή ερωτήματα θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε στην ενότητα που ακολουθεί.

3 Περιοδικά φαινόμενα Στη φύση συμβαίνει πολλές φορές ένα φαινόμενο να επαναλαμβάνεται συνέχεια με τον ίδιο τρόπο. Ένα τέτοιο φαινόμενο είναι η περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο, η κυκλοφορία του αίματος μας, το αναβοσβήσιμο του «φλας» ενός αυτοκινήτου, το ημερονύχτιο, το δρομολόγιο ενός λεωφορείου, η παλλίροια του Ευρίπου, η τριχόπτωση που παρατηρείται σε μερικά ζώα, τα μελτέμια του Αιγαίου κ.ά. Περιοδικό φαινόμενο λέγεται το φαινόμενο που επαναλαμβάνεται με ίδιο τρόπο. Κάθε περιοδικό φαινόμενο ολοκληρώνεται μέσα σ ένα ορισμένο χρόνο που λέγεται περίοδος και αποτελεί ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του: η περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο σε ένα έτος, το ημερονύχτιο σε μία μέρα, η παλλίροια σε 12 ώρες κ.λπ. Περίοδος Τ ενός περιοδικού φαινομένου λέγεται ο χρόνος που χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί μία φορά το φαινόμενό. Αν έχουμε, τώρα, τη δυνατότητα να παρακολουθήσουμε για ίδιο χρονικό διάστημα, διαφορετικά περιοδικά φαινόμενα θα διαπιστώσουμε ότι ο αριθμός των επαναλήψεων (ή «κύκλων») διαφέρει από φαινόμενο σε φαινόμενο (Εικ. 1). Περιοδικό φαινόμενο Χρόνος 1 λεπτό Αριθμός επαναλήψεων Περιστροφή ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα στο άτομο του υδρογόνου Ανεβοκατέβασμα εμβόλου μηχανής αυτοκινήτου 3, «Φλας» αυτοκινήτου Χτύπος ανθρώπινης καρδιάς 70 Περιστροφή δίσκου πικ-απ 45 Περιστροφή δευτερολεπτοδείκτη 1 Εικόνα 5-1. Επαναλήψεις περιοδικών φαινομένων σε 1 λεπτό. Γι αυτό και με τη βοήθεια του αριθμού των επαναλήψεων του φαινομένου και του χρόνου μέσα στον οποίο πραγματοποιήθηκαν, ορίσαμε τη συχνότητα, ένα φυσικό μέγεθος που δείχνει πόσες φορές

4 202 επαναλαμβάνεται ένα περιοδικό φαινόμενο στη μονάδα του χρόνου. Η συχνότητα αποτελεί επίσης ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του περιοδικού φαινομένου. Συχνότητα f ενός περιοδικού φαινομένου λέγεται το φυσικό μέγεθος που εκφράζεται με το πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου προς τον χρόνο t μέσα στον οποίο πραγματοποιήθηκαν. Ο προηγούμενος ορισμός αποδίδεται σύντομα με τη σχέση: Απ αυτή τη σχέση αφού σε χρόνο μίας περιόδου το φαινόμενο πραγματοποιείται μία φορά, μπορεί εύκολα να προκύψει ότι η συχνότητα και η περίοδος ενός περιοδικού φαινομένου συνδέονται με τη σχέση Η σφαίρα πραγματοποιεί ταλάντωση. Εικόνα 5-2. Μερικά περιοδικά φαινόμενα είναι κινήσεις: η κυκλοφορία του αίματος, η περιστροφή ενός τεχνητού δορυφόρου γύρω από τη Γη, το ταξίδι ενός κομήτη κ.ά. Αυτά τα περιοδικά φαινόμενα λέγονται περιοδικές κινήσεις. Σε μερικές περιοδικές κινήσεις ένα σώμα κινείται παλινδρομικά μεταξύ δυο ακραίων θέσεων: το έμβολο της μηχανής ενός αυτοκινήτου, όταν αυτή λειτουργεί, μία μικρή σφαίρα που αφήσαμε στο εσωτερικό ενός ημισφαιρίου (Εικ. 2), τα άκρα ενός διαπασών που διεγείραμε, ο βατήρας μιας πισίνας καταδύσεων μετά την προσπάθεια του αθλητή (Εικ. 3), το εκκρεμές ενός ρολογιού τοίχου κ.ά. Τέτοιες περιοδικές κινήσεις, όπου ένα σώμα κινείται παλινδρομικά μεταξύ δύο ακραίων θέσεων, λέγονται ταλαντώσεις. Εικόνα 5-4. Ο κύλινδρος πραγματοποιεί γραμμική ταλάντωση. Σε μερικές ταλαντώσεις το σώμα κινείται ευθύγραμμα: το έμβολο της μηχανής ενός αυτοκινήτου όταν αυτή λειτουργεί, ένα ξύλινος κύλινδρος που αρχικά ηρεμούσε μισοβυθισμένος σε λεκάνη με νερό αν τον βυθίσουμε λίγο περισσότερο και τον αφήσουμε (Εικ. 4), το σφαιρίδιο ενός απλού εκκρεμούς όταν η διαδρομή του είναι μικρή, τα μόρια μιας χορδής άρπας όταν τη χτυπήσουμε (Εικ. 5) κ.ά. Τέτοιες ταλαντώσεις όπου η κίνηση του σώματος είναι ευθύγραμμή λέγονται γραμμικές ταλαντώσεις. Μια τέτοια, ειδικής μορφής, ταλάντωση είναι η γραμμική (ή απλή) Τα μόρια του βατήρα πραγματοποιούν ταλάντωση. Εικόνα 5-3. Τα μόρια της χορδής πραγματοποιούν γραμμική ταλάντωση. Εικόνα 5-5. Το σφαιρίδιο πραγματοποιεί γραμμική αρμονική ταλάντωση. Εικόνα 5-6.

5 203 αρμονική ταλάντωση (Γ.Α.Τ.) με την οποία θα ασχοληθούμε στην συνέχεια. Με πολύ καλή προσέγγιση γραμμική αρμονική ταλάντωση πραγματοποιεί ένα σώμα δεμένο στο άκρο ελατηρίου, το απλό εκκρεμές, ένας κατακόρυφος ξύλινος κύλινδρος βυθισμένος εν μέρει σε υγρό κ.ά.