ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2: ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ο : ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΕΝΟΤΗΤΑ : ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β Ερώτηση Ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση με αρχική φάση μηδέν Η γραφική παράσταση δείχνει τις μεταβολές της κινητικής Κ, της δυναμικής U και της ολικής ενέργειας Ε, σε συνάρτηση με το χρόνο Η κινητική του ενέργεια Κ εξισώνεται με τη δυναμική του ενέργεια U, 0 φορές ανά λεπτό Η συχνότητα της ταλάντωσης είναι: α) 30 Hz β) Ηz γ) 0,5 Hz Να επιλέξετε τις σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας Σωστή απάντηση είναι η γ Όπως φαίνεται απ το κοινό διάγραμμα U t και K t, τα σημεία τομής, είναι οι στιγμές όπου εξισώνονται η κινητική ενέργεια Κ με τη δυναμική ενέργεια U Αυτό συμβαίνει 4 φορές σε κάθε περίοδο, μιας και στο διάγραμμα έχουμε 4 σημεία τομής ανά περίοδο ταλάντωσης

2 Άρα το σώμα εκτελεί 0 N 30 ταλαντώσεις ανά λεπτό 4 Επομένως με βάση τον ορισμό της συχνότητας: f N 30 ταλ 30 ταλ f t min 0 s 0,5 Hz

3 Ερώτηση Σύστημα ελατηρίου σταθεράς k - μάζας m εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση περιόδου Τ και συχνότητας f Αντικαθιστούμε τη μάζα με άλλη της ταλάντωσης: A A Α) Για τη συχνότητα f ισχύει: α) f f β) f f m m και διπλασιάζουμε το πλάτος 4 γ) f f Β) Η ενέργεια της ταλάντωσης E : α) παραμένει η ίδια β) διπλασιάζεται γ) τετραπλασιάζεται Να επιλέξετε τις σωστές απαντήσεις και να αιτιολογήσετε τις επιλογές σας Α) Σωστή απάντηση είναι η α Β) Σωστή απάντηση είναι η γ Η σταθερά ταλάντωσης D του συστήματος ελατηρίου k - μάζας m, είναι ίση με k, δηλαδή είναι ανεξάρτητη της μάζας του ταλαντούμενου σώματος και του πλάτους ταλάντωσης Συνεπώς και στις δύο περιπτώσεις: D D k Α) Η περίοδος μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση: m m T D k και η συχνότητα είναι το αντίστροφο της περιόδου: k f f Όπως φαίνεται απ αυτήν η συχνότητα δεν εξαρτάται από το T m πλάτος ταλάντωσης 3

4 Με την αλλαγή της μάζας, η συχνότητα γίνεται: k k 4k f m m m 4 Βγάζουμε το 4 από τη ρίζα και: k f, δηλαδή f f m Β) Η ενέργεια ταλάντωσης υπολογίζεται από τη σχέση: E DA E ka, δηλαδή είναι ανεξάρτητη της μάζας m και ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους Άρα: E ka k(a) 4 ka E 4E 4

5 Ερώτηση 3 Δύο σημειακά σώματα, που έχουν ίσες μάζες (m m m), εκτελούν απλή αρμονική ταλάντωση Οι συχνότητες των δύο ταλαντώσεων ικανοποιούν τη σχέση f f και τα πλάτη τη σχέση A A αντίστοιχα ικανοποιούν τη σχέση: Oι ενέργειες ταλάντωσης Ε και Ε των δύο σωμάτων και α) β) E E E E E E γ) Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας Σωστή απάντηση είναι η β Η ολική ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης υπολογίζεται από τη σχέση: E DA m m4 f A E m f A Παρατηρούμε ότι η ολική ενέργεια είναι ανάλογη τόσο του τετραγώνου της συχνότητας όσο και του πλάτους Άρα αφού η πρώτη ταλάντωση έχει μεγαλύτερη συχνότητα και μεγαλύτερο πλάτος, θα έχει και μεγαλύτερη ενέργεια, δηλαδή: E E 5

6 Ερώτηση 4 Σώμα εκτελεί αμείωτη απλή αρμονική ταλάντωση, πλάτους Α Σε κάποια θέση της τροχιάς του, η κινητική ενέργεια είναι το 50% της ολικής του ενέργειας και η δύναμη επαναφοράς έχει θετική τιμή Η απομάκρυνση του σώματος από τη θέση ισορροπίας, ισούται με: α) 3 A β) A γ) A Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας Σωστή απάντηση είναι η γ Η ολική ενέργεια Ε μιας αμείωτης απλής αρμονικής ταλάντωσης διατηρείται: K U E K E U Εφόσον η κινητική ενέργεια είναι το 50% της ολικής του ενέργειας: 50 K E E 00 Εξισώνοντας τα α μέλη έχουμε: E U E U E E U E Αλλά E DA D x και U Dx DA και απλοποιώντας έχουμε:, οπότε η προηγούμενη σχέση δίνει: x A x A x A Γνωρίζουμε ότι η δύναμη επαναφοράς μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι πάντα αντίθετη της απομάκρυνσης (λόγω της συνθήκης της ταλάντωσης: F D x ) Με βάση το δεδομένο ότι η δύναμη επαναφοράς έχει θετική τιμή, συμπεραίνουμε ότι η απομάκρυνση χ είναι αρνητική Άρα από τις δύο πιθανές λύσεις της απομάκρυνσης, επιλέγουμε την αρνητική, δηλαδή: x A

7 Ερώτηση 5 Στο σχήμα φαίνεται η γραφική παράσταση της κινητικής ενέργειας Κ ενός σώματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση σε συνάρτηση με την απομάκρυνση x από τη Θέση Ισορροπίας του Η γραφική παράσταση της δυναμικής ενέργειας U σε συνάρτηση με το τετράγωνο της απομάκρυνσης x είναι η: Να επιλέξετε τη σωστή γραφική παράσταση και να αιτιολογήσετε την επιλογή σας Σωστή απάντηση είναι η γ Η κινητική ενέργεια ενός αρμονικού ταλαντωτή, μεγιστοποιείται στη Θέση Ισορροπίας του (x 0) Από το διάγραμμα φαίνεται ότι το σημείο αυτό είναι το σημείο τομής με τον κατακόρυφο άξονα (0,50 J), άρα η μέγιστη κινητική ενέργεια είναι: K max 50 J Όμως, με βάση την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας η μέγιστη κινητική ενέργεια είναι ίση και με τη μέγιστη δυναμική ενέργεια: max Umax E, οπότε: Umax 50 J Ο μηδενισμός της κινητικής ενέργειας γίνεται στα δύο ακρότατα ( x A και x A) Από το διάγραμμα φαίνεται ότι αυτό συμβαίνει στα σημεία τομής με τον οριζόντιο άξονα 7

8 ( 0,5, 0) και ( 0,5, 0) ταλάντωσης είναι: A 0,5 m, που είναι τα ακρότατα της ταλάντωσης Άρα το πλάτος Η δυναμική ενέργεια της ταλάντωσης υπολογίζεται από τη σχέση: D U Dx x Από αυτήν προκύπτει ότι η δυναμική ενέργεια U είναι ανάλογη του τετραγώνου της απομάκρυνσης, άρα η γραφική παράσταση είναι γραμμική Ο πίνακας τιμών είναι: x (m ) ( 0,5) 0, 5 0 ( 0,5) 0, 5 U (J) Τα παραπάνω αποδίδονται σωστά στη γραφική παράσταση (γ) 8

9 Ερώτηση Σε μία ΑΑΤ η κινητική ενέργεια γίνεται ίση με τη δυναμική ενέργεια ταλάντωσης κατά τη διάρκεια μίας περιόδου: α) Δύο φορές β) Μία φορά γ) Τέσσερις φορές Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Σωστή απάντηση είναι η γ Γνωρίζουμε ότι: K U Από την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας Ταλάντωσης προκύπτει: E K U (KU) E U U E U D A D x A x x A x A A x Άρα η κινητική ενέργεια γίνεται ίση με τη δυναμική ενέργεια τέσσερις φορές κατά τη διάρκεια μίας περιόδου 9

10 Ερώτηση 7 Σώμα εκτελεί ΑΑΤ και τη χρονική στιγμή t 0 βρίσκεται στη θέση ισορροπίας και η ταχύτητά του έχει αρνητικό πρόσημο Η αρχική φάση είναι: α) 0 β) γ) Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Σωστή απάντηση είναι η γ t 0 Τη χρονική στιγμή το σώμα είναι στη θέση ισορροπίας δηλαδή ταχύτητά του είναι αρνητική Από την εξίσωση της απομάκρυνσης για προκύπτει: x 0 u 0 x A ( t 0) 0 A Άρα 0 k 0 ή 0 k Επειδή 0 0 προκύπτει ότι: Για την η λύση 0 k άρα για k 0 το 0 0 Για τη η λύση 0 k άρα για k 0 το 0 x 0 t 0 και η και Η εξίσωση της ταχύτητας για t 0 και 0 0 είναι: u u max ( t 0) u u max 0 ( 0 ) Άρα u 0 Η εξίσωση της ταχύτητας για t 0 και 0 είναι: u u max ( t 0) u u max ( ) Άρα u 0 Έτσι καταλήγουμε ότι η αρχική φάση είναι: 0 0

11 Ερώτηση 8 Σώμα εκτελεί ΑΑΤ και στο παρακάτω σχήμα δίνεται το διάγραμμα ταχύτητας-χρόνου Η αρχική φάση ταλάντωσης είναι: α) β) 3 γ) Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Σωστή απάντηση είναι η α Από το διάγραμμα ταχύτητας-χρόνου παρατηρούμε ότι τη χρονική στιγμή t 0 η ταχύτητα είναι μηδέν Άρα το σώμα βρίσκεται σε μία από τις δύο ακραίες θέσεις Επειδή η ταχύτητα μετά από A T 4 είναι umax καταλήγουμε ότι το σώμα τη χρονική στιγμή βρίσκεται στο Άρα από την εξίσωση της απομάκρυνσης για προκύπτει η αρχική φάση της ταλάντωσης x A ( t 0) A A k 3 Επειδή k 3 Άρα για k 0 το 0 t 0 και x t 0 A

12 Ερώτηση 9 Σώμα εκτελεί ΑΑΤ και τη χρονική στιγμή t 0 βρίσκεται στη θέση A x το πλάτος της ταλάντωσης και επιβραδύνεται Η αρχική φάση της ταλάντωσης είναι: όπου A α) β) γ) 3 5 Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Σωστή απάντηση είναι η γ A Τη χρονική στιγμή t 0 το σώμα βρίσκεται στη θέση x Αφού επιβραδύνεται κινείται προς το, άρα η ταχύτητά του είναι θετική (u 0) Από την εξίσωση της A απομάκρυνσης για t 0 και A x προκύπτει: A x A ( t 0) A Άρα 0 k ή 0 k ( ) k Επειδή 0 0 προκύπτει ότι: για την η λύση: 0 k άρα για k 0 το 0 για τη η λύση: 5 0 k άρα για k 0 το 0 5 Η εξίσωση της ταχύτητας για t 0 και 0 είναι: u u max ( t 0) u u max ( 0) Άρα u 0

13 Η εξίσωση ταχύτητας για t 0 και 0 5 είναι: 5 5 u u max ( t 0) u u max ( ) ( 0) Άρα u 0 Επομένως 0 3

14 Ερώτηση 0 Να υπολογιστεί η απομάκρυνση σε μια ΑΑΤ όταν η δυναμική ενέργεια και η κινητική ενέργεια είναι ίσες Από τη διατήρηση της ενέργειας ταλάντωσης έχουμε: E K U (όμως K U) E U U E U D A D x x A x A A x 4

15 Ερώτηση Ένα σώμα συνδέεται στο ελεύθερο άκρο ενός ιδανικού ελατηρίου του οποίου το άλλο άκρο είναι ακλόνητα στερεωμένο Το σύστημα εκτελεί ΑΑΤ με πλάτος ταλάντωσης Η σταθερά επαναφοράς του συστήματος είναι D Αντικαθιστούμε το σώμα με ένα άλλο τετραπλάσιας μάζας το οποίο εκτελεί επίσης ΑΑΤ αλλά με διπλάσιο πλάτος Η σχέση που συνδέει την ενέργεια ταλάντωσης ενέργεια ταλάντωσης E του δεύτερου σώματος είναι: A E του πρώτου σώματος με την αντίστοιχη E 4E α) E E β) γ) E E 4 Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Για τις ενέργειες E και E των δύο σωμάτων ισχύει: E D A E D A Διαιρώ κατά μέλη E E D A (επειδή D D D ) D A E A (επειδή A A ) E (A ) E E 4E E 4 Άρα σωστή απάντηση είναι η α 5

16 Ερώτηση Δύο σώματα με μάζες m και m συνδέονται στο ελεύθερο κάτω άκρο δύο κατακόρυφων ελατηρίων των οποίων τα πάνω άκρα είναι σταθερά στερεωμένα Για τις σταθερές των δύο ελατηρίων ισχύει K 4K όταν ισορροπεί το σώμα, έχει επιμηκυνθεί κατά Παρατηρούμε ότι το πρώτο ελατήριο, d, ενώ το δεύτερο κατά d d Ποια από τις παρακάτω σχέσεις ισχύει για τις συχνότητες ταλάντωσης των δύο σωμάτων (Θεωρούμε ότι και τα δύο σώματα εκτελούν ΑΑΤ) α) f f f f β) γ) f 4 f Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Η συνθήκη που ισχύει στη θέση ισορροπίας για το κάθε σύστημα είναι: m g K d () m g K d () Διαιρώ τις () και () κατά μέλη: m g K d (K 4K και d d ) m g K d m 4 K d m m Άρα m K d

17 T m (3) K T m (4) K Διαιρώ τις (3) και (4) κατά μέλη: T T m K m K T m K (m m και T m K K 4K ) T m K T T m 4 K T Άρα T f f f T f f f Άρα f f και σωστή απάντηση είναι η α 7

18 Ερώτηση 3 Ένα σώμα εκτελεί ΑΑΤ Τη χρονική στιγμή ισορροπίας είναι A x t η απομάκρυνση του σώματος από τη θέση όπου A το πλάτος της ταλάντωσης Ο λόγος της κινητικής προς τη δυναμική ενέργεια ταλάντωσης τη χρονική στιγμή t είναι: α) β) 4 γ) 3 Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Για να υπολογίσουμε το λόγο εργαζόμαστε ως εξής: K E U (επειδή E K U K E U ) U U DA Dx K U Dx D(A x ) K U Dx K A x A U x (x ) A A K 4 U A 4 3A K 4 U A 4 K 3 U 8

19 Άρα σωστή απάντηση είναι η γ 9

20 Ερώτηση 4 Δύο σώματα με ίσες μάζες διαγράμματα U x ίσος με: m m εκτελούν ΑΑΤ Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα για τα δύο συστήματα Ο λόγος των περιόδων ταλάντωσης T T είναι α) β) γ) 4 Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Τα δύο συστήματα έχουν την ίδια ενέργεια ταλάντωσης Δηλαδή: E E D A D A (A A και A A) D A D D 4 A 4D Άρα ο λόγος των περιόδων υπολογίζεται: T T m D m D 0

21 T m D (m m T m D και D 4D ) T D T 4 D T T Άρα σωστή απάντηση είναι η β

22 Ερώτηση 5 Μικρό σώμα μάζας m εκτελεί ΑΑΤ Τη χρονική στιγμή t 0 βρίσκεται στη θέση A x και επιταχύνεται Η αρχική του φάση είναι: α) β) γ) 5 3 Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Τη χρονική στιγμή t 0 έχουμε A x δηλαδή x 0 Επειδή το σώμα επιταχύνεται σημαίνει πως κατευθύνεται προς τη θέση ισορροπίας Άρα πηγαίνει από το στη θέση ισορροπίας και γι'αυτό η ταχύτητα είναι αρνητική, u 0 Η εξίσωση της απομάκρυνσης είναι: A x A ( t 0) (για Για 0 προκύπτει: t 0 και A x ) A A k ή 0 k ( ) k Επειδή 0 0 προκύπτει ότι k 0 Άρα 0 ή 0 5 Από την εξίσωση της ταχύτητας για t 0 προκύπτει: u u max ( t 0) u u max 0 Άρα αν 0 τότε u 0

23 και αν 0 5 τότε u 0 Άρα η αρχική φάση είναι 0 5 και σωστή απάντηση είναι η β 3

24 Ερώτηση Να βρεθεί ο λόγος της κινητικής ενέργειας προς τη δυναμική ενέργεια ταλάντωσης ενός σώματος το οποίο εκτελεί ΑΑΤ όταν η ταχύτητά του είναι η μισή της μέγιστης ταχύτητας ταλάντωσης K K (επειδή E K U U E K) U E K m u K U m u m u max m u K U m (u max u ) όμως ( u max u ) umax K 4 U u u 4 max max u K 4 U 3u 4 max max K U 3 4

25 Πρόβλημα Σφαίρα μάζας m kg ελατηρίου σταθεράς k ΘΕΜΑ Δ ισορροπεί δεμένη στο πάνω άκρο κατακόρυφου ιδανικού 400 N / m, του οποίου το κάτω άκρο είναι στερεωμένο στο δάπεδο Ανεβάζουμε τη σφαίρα κατακόρυφα προς τα πάνω και την αφήνουμε ελεύθερη, οπότε αυτή εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση με πλάτος 0,5 m α) Να υπολογίσετε τη γωνιακή συχνότητα ω καθώς και το μέτρο της μέγιστης ταχύτητας υ max της σφαίρας β) Να γράψετε τις εξισώσεις της απομάκρυνσης και της ταχύτητας της σφαίρας σε συνάρτηση με το χρόνο Θεωρήστε θετική φορά την προς τα πάνω και ως χρονική στιγμή κάτω t 0, τη στιγμή που περνά από τη θέση ισορροπίας της με φορά κίνησης προς τα γ) Να γράψετε την εξίσωση της δύναμης ελατηρίου στη σφαίρα σε συνάρτηση με την απομάκρυνση χ Στη συνέχεια να υπολογίσετε το μέτρο της δύναμης ελατηρίου στα δύο ακρότατα της ταλάντωσης δ) Να υπολογίσετε το ρυθμό μεταβολής της κινητικής ενέργειας της σφαίρας τη χρονική T στιγμή t 8 Δίνεται η επιτάχυνση της βαρύτητας: g 0 m / s 5

26 D α) Η γωνιακή συχνότητα ω υπολογίζεται απ τη σχέση: Επειδή η σφαίρα m εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση δεμένη στο κατακόρυφο ελατήριο, ισχύει ότι: D k, k 400 rad οπότε: rad / s 0 m s Το μέτρο της μέγιστης ταχύτητας ταλάντωσης ισούται με: max 0rad / s 0,5m 0 m s max β) Για να βρούμε τη χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης, αρκεί να ξέρω το πλάτος Α, τη γωνιακή συχνότητα ω και την αρχική φάση φ 0 Γνωρίζοντας ήδη τα Α και ω, αρκεί να βρω την αρχική φάση φ 0 Θέτω στη χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης: t=0 και x αρχ=0, οπότε: 0 A ( 0 0) ή 0 Επιπλέον, με βάση την εκφώνηση, η ταχύτητα ( max 0 ) είναι αρνητική Επειδή max0 0 και max 0, δεχόμαστε ως αρχική φάση την 0 Άρα οι ζητούμενες εξισώσεις είναι: x 0,5 (0t ) και 0 (0t ) (και οι δύο στο SΙ) γ) Τοποθετούμε τη σφαίρα σε μια τυχαία θέση θετικής απομάκρυνσης χ Οι δυνάμεις που ασκούνται είναι το βάρος w, που είναι κατακόρυφο προς τα κάτω (άρα έχει αρνητική αλγεβρική τιμή, γιατί θετική φορά είναι η προς τα πάνω) και η F ελ, η οποία τοποθετείται αυθαίρετα στη θετική φορά Η συνισταμένη τους είναι η δύναμη επαναφοράς και θα ικανοποιεί τη Συνθήκη της απλής αρμονικής ταλάντωσης: F Dx F w kx F mg kx και αντικαθιστώντας στο SI: F x Στο κάτω ακρότατο της ταλάντωσης, η σφαίρα έχει απομάκρυνση, οπότε αντικαθιστώντας στη σχέση που βρήκαμε, έχουμε: F,( A) 0N 400N / m ( 0,5)m (0 00)N F,( A) 0 N Το πρόσημο (+) δείχνει ότι η F ελ έχει φορά προς τα πάνω Στο πάνω ακρότατο, η σφαίρα έχει απομάκρυνση x, οπότε αντικαθιστώντας στη σχέση που βρήκαμε, έχουμε: F,( A) 0N 400N / m 0,5m (0 00)N F 90 N,( A) Το πρόσημο (-) δείχνει ότι η F ελ έχει φορά προς τα κάτω Σχόλιο: Παρατηρήστε ότι και στις δύο περιπτώσεις, η F ελ έχει φορά προς τη ΘΦΜ, όπως αναμέναμε

27 δ) Ο ρυθμός μεταβολής της κινητικής ενέργειας υπολογίζεται ως εξής: dk dw F Fdx dx F F k x dt dt dt dt Αρκεί λοιπόν να υπολογίσουμε την απομάκρυνση και την ταχύτητα τη χρονική στιγμή t T 8 Η απομάκρυνση: x 0,5 ( t ) 0,5 ( ) 0,5 ( ) 0,5 m 8 4 και η ταχύτητα: 0 ( t ) 0 ( ) 0 ( ) 0 m / s 8 4 Έτσι τη χρονική στιγμή t, dk J 000 dt s dk 400N / m ( 0,5 )m ( 0 )m / s dt 7

28 Πρόβλημα Δίσκος μάζας kg ελατηρίου σταθεράς k ακλόνητο σημείο του δαπέδου Από ύψος h είναι συνδεδεμένος στο πάνω άκρο κατακόρυφου ιδανικού 00 N / m Το κάτω άκρο του ελατηρίου στερεώνεται σε 0,5 m πάνω από το δίσκο αφήνεται να πέσει ελεύθερο ένα σφαιρίδιο πλαστελίνης μάζας m kg, το οποίο συγκρούεται με το δίσκο μετωπικά και πλαστικά Το συσσωμάτωμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση Θεωρείστε την αντίσταση του αέρα και τη διάρκεια της κρούσης αμελητέες α) Να υπολογίσετε το μέτρο της ταχύτητας του σφαιριδίου ελάχιστα πριν την κρούση β) Να υπολογίσετε το πλάτος της ταλάντωσης του συστήματος Δίνεται η g 0 m / s γ) Να υπολογίσετε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς καθώς και το μέτρο της δύναμης του ελατηρίου στο κατώτερο σημείο της ταλάντωσης του συσσωματώματος δ) Να γράψετε την εξίσωση της δυναμικής ενέργειας ταλάντωσης του συσσωματώματος σε συνάρτηση με το χρόνο Να θεωρήσετε ότι ο θετικός ημιάξονας είναι προς τα πάνω α) Κατά τη διάρκεια της ελεύθερης πτώσης της σφαίρας η Μηχανική της ενέργεια διατηρείται Θεωρώντας ως θέση (0) την αρχική, όπου αφήνεται ελεύθερο το σφαιρίδιο (άρα K0 0), ως θέση () ελάχιστα πριν κτυπήσει στο δίσκο και ως επίπεδο αναφοράς το δίσκο (άρα U 0), έχουμε: K0 U0 K U 0 mgh m 0 m mgh gh gh 0m / s 0,5m m 3 s β) Εφαρμόζω τη Διατήρηση της ολικής Ορμής ( p p ) για την πλαστική κρούση των m M, για να βρω την ταχύτητα του συσσωματώματος, αμέσως μετά την κρούση Θεωρώντας θετική τη φορά προς τα κάτω έχουμε: 8

29 mu kg 3m / s 3 m m 0 (m M)V V V V m M kg kg s Ο δίσκος μάζας Μ ισορροπούσε, πριν την κρούση, στη θέση ισορροπίας (ΘΙ ), η οποία απέχει d από τη Θέση Φυσικού Μήκους (ΘΦΜ) του ελατηρίου Στη θέση αυτή ισχύει η συνθήκη ισορροπίας: F 0 F g 0 F g kd,(),() Mg kg 0m / s d d d m k 00 N / m 0 0,05 m g Το συσσωμάτωμα που δημιουργείται μετά την κρούση εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση με D=k=00 N/m γύρω από Νέα Θέση Ισορροπίας (ΘΙ ), η οποία βρίσκεται κάτω απ τη ΘΙ και απέχει απόσταση d από τη ΘΦΜ Στη ΘΙ ισχύει η συνθήκη ισορροπίας: F 0 F ( m)g 0 F ( m)g kd ( m)g,(),() (m M) kg 0 m / s d g d m 0, m k 00 N / m 0 Για την αρμονική ταλάντωση του συσσωματώματος, εφαρμόζω τη Διατήρηση της Ενέργειας, εξισώνοντας την κινητική και δυναμική ενέργεια της ταλάντωσης στη θέση της κρούσης (που είναι η θέση εκκίνησης της ταλάντωσης) με την ολική ενέργεια Ε της ταλάντωσης Αμέσως μετά την κρούση, το συσσωμάτωμα απέχει xo d d m, από τη ΘΙ και έχει ταχύτητα V, άρα: U kx o (m M)V ka kxo V (m M) ka kx o (m M)V kx o (m M)V A k k k 9

30 3 kg m / s 3 (m )V A x 4 0 0,05 m m k 00N / m m m m A 0, m Σχόλιο: Προσέξτε τη διαφορά στις δυναμικές ενέργειες: Δυναμική ενέργεια ταλάντωσης: Δυναμική ενέργεια ελατηρίου: U ελατηρίου, Βαρυτική δυναμική ενέργεια: U ορισμένο επίπεδο αναφοράς U Dx, όπου το χ μετριέται από τη ΘΙ, kl, όπου το l μετριέται από τη ΘΦΜ του mg h, όπου h είναι το ύψος του σώματος από Η Δυναμική ενέργεια της ταλάντωσης «εμπεριέχει» τη δυναμική ενέργεια ελατηρίου και τη βαρυτική δυναμική ενέργεια γ) Το μέτρο της δύναμης επαναφοράς δίνεται από τη σχέση: F Dx k x, (θυμηθείτε ότι στο παράδειγμα, του σχολικού βιβλίου, έχουμε αποδείξει ότι D=k) δηλαδή είναι ανάλογο της απομάκρυνσης χ από τη ΘΙ, συνεπώς γίνεται μέγιστο στα ακρότατα της ταλάντωσης Έτσι: F max =k A 00N / m0,m F max 0 N H Δύναμη του ελατηρίου έχει μέγιστο μέτρο στη θέση που το ελατήριο εμφανίζει τη μέγιστη απόσταση από τη ΘΦΜ του, δηλαδή στην κατώτερη θέση της ταλάντωσης Άρα: F =k l =00N / m d A m 00 0, 0, N,max max,max F 40 N δ) Η δυναμική ενέργεια της ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση: U Dx kx Συνεπώς, χρειάζεται να βρούμε τη χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης: x A ( t 0) Ήδη γνωρίζουμε το πλάτος Α=0, m, οπότε πρέπει να βρούμε τη γωνιακή συχνότητα ω και την αρχική φάση φ 0 Η γωνιακή συχνότητα: D 00 rad 00 rad 0 rad M m s s s 30

31 Για την αρχική φάση, θέτω στην χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης: x A ( t 0), t 0 και x 0,05m, επειδή το συσσωμάτωμα κινείται προς τα κάτω πρέπει η ταχύτητα να είναι αρνητική, οπότε: 0,05 0, 05 0,ημ 0 ημ0 ημ0 ημ 0 k ή 0 k 0, Επειδή για την αρχική φάση πρέπει να ισχύει: 0 0, θα είναι και στις δύο λύσεις 5 το k 0, δηλαδή: 0 ή 0 Η η λύση δίνει για την ταχύτητα: max 0 και (φυσικά) η η 5 max 0 Συνεπώς δεχόμαστε τη η λύση: Η εξίσωση της απομάκρυνσης είναι: x 0, (0t ) (στο SI) και αντικαθιστώντας στη σχέση της δυναμικής ενέργειας ταλάντωσης, βρίσκουμε τελικά: U kx 000, 0 (0t ) (0t ) U (0t ) (στο SI) 3

32 Πρόβλημα 3 Ένα σώμα μάζας m 4kg εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση πλάτους A 5 m 4 πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο δεμένο στην άκρη οριζόντιου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k N/ m Τη χρονική στιγμή t0 0 που το σώμα βρίσκεται στη θέση x m κινείται από τη θέση ισορροπίας προς τη θέση μέγιστης απομάκρυνσης συγκρούεται ελαστικά με δεύτερο σώμα μάζας m m / s αντίθετης φοράς από αυτή της και kg που κινείται με ταχύτητα μέτρου Να υπολογίσετε: α) το μέτρο της ταχύτητας του σώματος m ελάχιστα πριν την κρούση β) τις ταχύτητες των σωμάτων αμέσως μετά την ελαστική κρούση γ) το νέο πλάτος της ταλάντωσης του σώματος m δ) το στιγμιαίο ρυθμό μεταβολής της κινητικής ενέργειας του στη νέα ακραία θέση της ταλάντωσής του m όταν αυτό βρίσκεται α) Φαινόμενο o : Υπολογισμός της ταχύτητας του m λίγο πριν την κρούση Εφαρμόζουμε την Αρχή Διατήρησης Ενέργειας Ταλάντωσης από την ακραία θέση έως τη θέση Μ 3

33 E ( o) E ( o ) xa xx ka m kx k A x m 5 / 4 4 m s m s m/ s / β) Φαινόμενο : Ελαστική κρούση m m Εφαρμόζουμε την Αρχή Διατήρησης της Ορμής (λίγο πριν λίγο μετά) Θετική φορά καθορίζεται προς τα δεξιά: o p p p p p p o m m m m 4 4 ' ' ' ' 3 () ' ' Εφαρμόζουμε την Αρχή Διατήρησης της Κινητικής Ενέργειας κατά την κρούση K o K o m m m m 33

34 () (3 ) 3 ' ' 0 ' ( ) 0 ' ' ' 0 ό ' m / s oί () : m/ s ' γ) Φαινόμενο 3 : Εύρεση του νέου πλάτους της ταλάντωσης του m Εφαρμόζουμε την ΑΔΕΤ από τη θέση Μ (σημείο σύγκρουσης) έως την νέα ακραία θέση m 4 m kx ka A x A 4m A m k δ) dx dt F F dx dk dw dk F dt dt dt dt Αλλά στην ακραία θέση η ταχύτητα είναι μηδέν, συνεπώς: dk 0 dt Ημερομηνία τροποποίησης: 3/0/08 Επιμέλεια: Αντώνιος Γεωργούσης, Γεώργιος Φωτεινάκης, Ευάγγελος Χατζέλλης Επιστημονικός έλεγχος: Γεώργιος Ζησιμόπουλος, Κωνσταντίνος Στεφανίδης 34