E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

Σχετικά έγγραφα
Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

ΦΥΣ. 211 ΕΡΓΑΣΙΑ # 8 Επιστροφή την Τετάρτη 30/3/2016 στο τέλος της διάλεξης

γ /ω=0.2 γ /ω=1 γ /ω= (ω /g) v. (ω 2 /g)(x-l 0 ) ωt. 2m.

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Συζευγμένα ταλαντώσεις - Ένα άλλο σύστημα

Αρµονικοί ταλαντωτές

Αρµονικοί ταλαντωτές

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙI Φεβρουάριος Απαντήστε και στα 4 θέματα με σαφήνεια και συντομία. Καλή σας επιτυχία.

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Φυσική για Μηχανικούς

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

v := dr dt r = r 1 + r 2

1. Κίνηση Υλικού Σημείου

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 16/2/2012 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ A ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι

Ένα εκκρεμές σε επιταχυνόμενο αμαξίδιο

Φυσική για Μηχανικούς

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 10-Μάη-2014

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ. Α5. α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Λάθος ε. Σωστό

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Φυσική για Μηχανικούς

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 10-Μάη-2014

, και τις ονομάζουμε γενικευμένες συντεταγμένες. Μία δεδομένη συντεταγμένη, q k. , μπορεί να είναι είτε γωνία, είτε απόσταση.

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 6 24

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Η ενέργεια ταλάντωσης ενός κυλιόμενου κυλίνδρου

7. Ένα σώμα εκτελεί Α.Α.Τ. Η σταθερά επαναφοράς συστήματος είναι.

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 11-Μάη-2015

ΛΥΣΕΙΣ. Οδηγία: Να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό καθεμιάς από τις παρακάτω ερωτήσεις 1-4 και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

Μικρές ταλαντώσεις Συζευγμένες ταλαντώσεις

ΨΗΦΙΑΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΒΟΗΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ» 5 o ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2017: ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Ελατήριο σταθεράς k = 200 N/m διατηρείται σε κατακόρυφη θέση στερεωμένο στο κάτω άκρο

ΘΕΜΑ 1. Λύση. V = V x. H θ y O V 1 H/2. (α) Ακίνητος παρατηρητής (Ο) (1) 6 = = (3) 6 (4)

website:

Σφαίρα σε ράγες: Η συνάρτηση Lagrange. Ν. Παναγιωτίδης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Χημείας Φυσική 1 1 Φεβρουαρίου 2017

ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΧΩΡΙΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΑΣΚΗΣΗ 6.1

Φυσική για Μηχανικούς

( ) ) V(x, y, z) Παραδείγματα. dt + "z ˆk + z d ˆk. v 2 =!x 2 +!y 2 +!z 2. F =! "p. T = 1 2 m (!x2 +!y 2 +!z 2

Στα ερωτήματα 1,2.3,4 του ζητήματος αυτού μια πρόταση είναι σωστή να την κυκλώσετε)

Φυσική για Μηχανικούς

Αναλυτική Μηχανική. Κεφάλαιο 2. Περίληψη. Προαπαιτούμενες γνώσεις

ΕΝΟΤΗΤΑ 2: ΡΟΠΗ ΔΥΝΑΜΗΣ ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Γ. γ) η στατική τριβή στον δίσκο καθώς και το μέτρο της δύναμης που ασκεί το κεκλιμένο επίπεδο στο δίσκο.

Υπολογισμός της σταθεράς ελατηρίου

Ημερομηνία: Παρασκευή 27 Οκτωβρίου 2017 Διάρκεια Εξέτασης: 3 ώρες ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

W = 6.34 kn (2) F = u 2 f = u2 i + 2a(x f x i ) a = u2 f u2 i 2x f. F = d U(x) (5)

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ Θέματα και Λύσεις. Ox υπό την επίδραση του δυναμικού. x 01

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Εφαρμογή της γενικής λύσης

Όλα τα θέματα των πανελληνίων στις μηχανικές ταλαντώσεις έως και το 2014 ΣΑΛΑΝΣΩΕΙ ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΣΑΛΑΝΣΩΗ ΒΑΙΚΕ ΕΝΝΟΙΕ. Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2013

L = T V = 1 2 (ṙ2 + r 2 φ2 + ż 2 ) U (3)

1 Η ΠΡΟΟΔΟΣ. Ενδεικτικές λύσεις κάποιων προβλημάτων. Τα νούμερα στις ασκήσεις είναι ΤΥΧΑΙΑ και ΟΧΙ αυτά της εξέτασης

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

Φυσική για Μηχανικούς

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ, 8 Μαρτίου 2019 Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΘΕΡΙΝΑ) ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

L 2 z. 2mR 2 sin 2 mgr cos θ. 0 π/3 π/2 π L z =0.1 L z = L z =3/ 8 L z = 3-1. V eff (θ) =L z. 2 θ)-cosθ. 2 /(2sin.

ιαγωνισµός Ξανθόπουλου 2012 Μονάδες 3

Έργο Ενέργεια. ΦΥΣ Διαλ.15 1

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ ΙΟΥΝΙΟΣ 2013 ΕΠΩΝΥΜΟ: ΟΝΟΜΑ: ΑΕΜ: (ΠΤΥΧΙΟ)

, g 10 m / s, / 2, / 2, Απάντηση

4. Σώμα Σ 1 μάζας m 1 =1kg ισορροπεί πάνω σε λείο κεκλιμένο επίπεδο που σχηματίζει με τον ορίζοντα γωνία φ=30 ο. Το σώμα Σ 1 είναι δεμένο στην άκρη

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

Αρµονικοί ταλαντωτές

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις Σύνολο Σελίδων: Ενδεικτικές Λύσεις ευτέρα 3 Σεπτέµβρη 2018 Θέµα Α

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 25/09/16 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

1ο ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Τετάρτη 12 Αυγούστου 2015 Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις. Ενδεικτικές Λύσεις - Οµάδα Α.

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΕ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ

1. Για το σύστηµα που παριστάνεται στο σχήµα θεωρώντας ότι τα νήµατα είναι αβαρή και µη εκτατά, τις τροχαλίες αµελητέας µάζας και. = (x σε μέτρα).

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

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

Κεφάλαιο 11 ΣΥΝΤΗΡΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επανεξέταση του αρμονικού ταλαντωτή

dv 2 dx v2 m z Β Ο Γ

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

1.1. Διαφορική Εξίσωση και λύση αυτής

dx cos x = ln 1 + sin x 1 sin x.

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ευστάθιος Στυλιάρης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟN ΑΘΗΝΩΝ,, ΕΡΓΟ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική ΙΙ 8 Ιουλίου 2013

α. β. γ. δ. Μονάδες 5 α. β. γ. δ. Μονάδες 5 α. ελαστική β. ανελαστική γ. πλαστική δ. έκκεντρη

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΘΕΡΙΝΑ) ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 24/09/2017 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 3. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Λαμβάνοντας επιπλέον και την βαρύτητα, η επιτάχυνση του σώματος έχει συνιστώσες

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΕΙΡΑ: 1η ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 24/07/2014

GMm. 1 2GM ) 2 + L2 2 + R L=4.5 L=4 L=3.7 L= 1 2 =3.46 L= V (r) = L 2 /2r 2 - L 2 /r 3-1/r

Transcript:

Μαθηματική Μοντελοποίηση Ι 1. Φυλλάδιο ασκήσεων Ι - Λύσεις ορισμένων ασκήσεων 1.1. Άσκηση. Ενα σωμάτιο μάζας m βρίσκεται σε παραβολικό δυναμικό V (x) = 1/2x 2. Γράψτε την θέση του σαν συνάρτηση του χρόνου, όταν σε χρόνο t = 0 βρίσκεται στην θέση x = 1 και έχει ταχύτητα v = 0. Ποιά είναι η ενέργειά του; x(t) = cos(ωt), ω = E = 1 2. m. 1.2. Άσκηση. Εστω ότι ένα σωμάτιο μάζας m εξαρτάται από ελατήριο σταθεράς και φυσικού μήκους l και είναι ελεύθερο να κινείται κατακόρυφα. Η δύναμη που ασκείται στο σώμα είναι η δύναμη του ελατηρίου συν την βαρυτική δύναμη. (α) Γράψτε την δύναμη που ασκείται στο σώμα. (β) Ποιά είναι η δυναμική ενέργεια που δίνει αυτή την δύναμη; (γ) Βρείτε την εξίσωση κίνησης και δώστε τη λύση της. Δείτε την λύση, π.χ., στο βιβλίο του Fowles. 1.3. Άσκηση. Σώμα μάζας m κινείται στον άξονα x σε δυναμική ενέργεια V (x) = Kx e αx, όπου K, α είναι θετικές σταθερές. Βρείτε την θέση ισορροπίας της μάζας και την περίοδο ταλάντωσεων γύρω από αυτήν. Γιά να βρούμε την θέση ισορροπίας θα εξετάσουμε πού μηδενίζεται η πρώτη παράγωγος dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α, Άρα το σημείο ισορροπίας είναι x 0 1 α. 1

2 Γιά να μελετήσουμε την δυναμική του σωματίου γύρω από το x 0 χρειαζόμαστε την δεύτερη παράγωγο: d 2 V dx 2 x=x 0 = K[ α α(1 αx 0 )] e αx 0 = αk(2 αx 0 ) e αx 0 = ak e > 0. Μία προσέγγιση του δυναμικού γύρω από το x 0 (γιά x x 0 1) δίνεται από το ανάπτυγμα Taylor V (x) = V (x 0 ) + dv dx x=x 0 (x x 0 ) + d2 V dx 2 x=x 0 (x x 0 ) 2 +... K αe + αk 2e (x x 0) 2. Ας θέσουμε Τότε ορίζουμε δυναμική ενέργεια και επίσης έχουμε κινητική ενέργεια ξ x x 0 = x 1 α V 1 (ξ) V (x) V (x 0 ) = αk 2e ξ2 T 1 = 1 2 m ξ 2. Οπότε έχουμε Λαγκρανζιανή Από εδώ προκύπτει η εξίσωση κίνησης L = T 1 V 1 = 1 2 m ξ 2 αk 2e ξ2. m ξ + αk e ξ = 0 ξ + αk me ξ = 0, της οποίας οι λύσεις παριστάνουν ταλαντωτική κίνηση με συχνότητα αk ω = me και περίοδο ταλάντωσης T = 2π ω = 2π me αk Σημειώσεις. Αν είτε το α είτε το K είναι αρνητικά τότε το δυναμικό έχει μέγιστο στην θέση ισορροπίας και αυτό είναι ασταθές (δεν έχουμε ταλαντωτική κίνηση). Αν όμως αk > 0 (έστω και αν α, K < 0) η παραπάνω λύση της άσκησης είναι σωστή.

3 1.4. Άσκηση. Σωμάτιο μάζας m είναι ελεύθερο να ολισθαίνει επάνω σε κεκλιμένο επίπεδο (βλ. σχήμα). Το κεκλιμένο επίπεδο έχει μάζα M και είναι ελεύθερο να ολισθαίνει επάνω σε επίπεδη οριζόντια βάση. (α) Γράψτε κατάλληλες γενικευμένες συντεταγμένες γιά το σύστημα, (β) γράψτε την Λαγκρανζιανή του συστήματος, (γ) γράψτε και λύστε τις εξισώσεις κίνησης. Δείτε την λύση, π.χ., στο βιβλίο του Fowles. 1.5. Άσκηση. (ΦΙ) Σώμα μάζας 2m κρέμεται από κατακόρυφο ελατήριο σταθεράς και μήκους ισορροπίας l. Από αυτήν τη μάζα κρέμεται δεύτερο ελατήριο της ίδιας σταθεράς (και ίδιου μήκους ισορροπιας) από το οποίο εξαρτάται μια δεύτερη μάζα m. Θεωρήστε μόνο κατακόρυφη κίνηση των μαζών. (α) Βρείτε τις συχνότητες των κανονικών τρόπων ταλάντωσης του συστήματος. (β) Η επάνω μάζα 2m μετακινείται προς τα κάτω κατά απόσταση d από την θέση ισορροπίας της, ενώ η δεύτερη μάζα παραμένει στην αρχική θέση ισορροπίας της. Ακολούθως το σύστημα αφήνεται να ταλαντωθεί. Βρείτε την κίνηση των δύο μαζών, δηλ. την θέση τους σαν συνάρτηση του χρόνου. (α) Σκοπός μας είναι να γράψουμε τις εξισώσεις κίνησης, δηλαδή, τις εξισώσεις Lagrange. Διαλέγουμε ως γενικευμένες συντεταγμένες τις αποστάσεις των δύο μαζών από το σημείο εξάρτησης. Τις ονομάζουμε x 1 και x 2. Η κινητική ενέργεια των δύο μαζών είναι (1.5.1) T = 1 2 (2m)ẋ2 1 + 1 2 mẋ2 2 = 1 2 m(2ẋ2 1 + ẋ 2 2). Η δυναμική ενέργεια του συστήματος είναι το άθροισμα των δυναμικών ενεργειών των δύο μαζών λόγω του βαρυτικού πεδίου και των δυναμικών ενεργειών των δύο ελατηρίων: V = (2m)gx 1 mgx 2 + 1 2 (x 1 l) 2 + 1 2 (x 2 x 1 l) 2 (1.5.2) = mg(2x 1 + x 2 ) + 1 2 [(x 1 l) 2 + (x 2 x 1 l) 2 ],

4 Σημειώνουμε ότι, σύμφωνα με τον ορισμό των συντεταγμένων x 1, x 2, το μήκος του επάνω ελατηρίου είναι x 1 ενώ το μήκος του κάτω ελατηρίου είναι x 2 x 1. Ωστε η Lagrangian είναι (1.5.3) L = 1 2 m(2ẋ2 1 + ẋ 2 2) + mg(2x 1 + x 2 ) 1 2 [(x 1 l) 2 + (x 2 x 1 l) 2 ]. Από εδώ εξάγουμε τις εξισώσεις Lagrange: ( ) d L L = 0 2mẍ 1 2mg + (x 1 l) (x 2 x 1 l) = 0 dt ẋ 1 x 1 (1.5.4) 2mẍ 1 + 2x 1 x 2 = 2mg ( ) d L L = 0 mẍ 2 mg + (x 2 x 1 l) = 0. dt ẋ 2 x 2 mẍ 2 + x 2 x 1 = mg + l. Πρώτα θα βρούμε την θέση ισορροπίας του συστήματος. Θέτουμε x 1 = η 1, x 2 = η 2, όπου η 1, η 2 είναι σταθερές (άρα ẍ 1 = 0 = ẍ 2 ) και λύνουμε το γραμμικό σύστημα που προκύπτει: 2η 1 η 2 = 2mg η 1 = 3mg + l (1.5.5) η 1 + η 2 = mg + l η 2 = 4mg + 2l. Τώρα παρατηρώ ότι αν ορίσουμε ως νέες μεταβλητές τις x 1 = x 1 η 1 και x 2 = x 2 η 2, δηλαδή τις αποκλίσεις από την θέση ισορροπίας, και τις αντικαταστήσουμε στις Εξ. (1.5.4) παίρνουμε ένα ομογενές σύστημα εξισώσεων: (1.5.6) 2mẍ 1 + 2x 1 x 2 = 0 mẍ 2 + x 2 x 1 = 0. Υποθέτουμε ταλαντωτική λύση του συστήματος: x 1 = A cos(ωt + φ), Αντικατάσταση στις εξισώσεις δίνει (1.5.7) (2 2mω 2 )A B = 0 A + ( mω 2 )B = 0. x 2 = B cos(ωt + φ). Για να έχουμε μη-τετριμένη λύση του συστήματος πρέπει η ορίζουσα των συντελεστων να είναι μηδέν: 2( mω 2 ) 2 2 = 0 ( / 2 mω 2 )( + / 2 mω 2 ) ω 2 = ( 1 ± 1 ). m 2 Άρα οι συχνότητες (των κανονικών τρόπων) ταλάντωσης του συστήματος είναι οι ( (1.5.8) ω 1 = 1 + 1 ( ), ω 2 = 1 1 ). m 2 m 2 (β) Χρειαζόμαστε την γενική λύση του προβλήματος. Για ω 2 = ω1 2 το γραμμικό σύστημα (1.5.7) δίνει B = 2 A ενώ γιά ω 2 = ω2 2 παίρνουμε B = 2 A. Δηλαδή έχουμε τις λύσεις

5 του συστήματος και x 1 = A cos(ω 1 t + φ), x 1 = A cos(ω 2 t + φ), x 2 = 2A cos(ω 1 t + φ), x 2 = 2A cos(ω 2 t + φ), όπου το A είναι το πλάτος της ταλαντωσης και φ μία φάση (αυθαίρετες σταθερές). Οι γενική λύση μπορεί να γραφεί ως άθροισμα των παραπάνω δύο λύσεων: (1.5.9) x 1 = A 1 cos(ω 1 t + φ 1 ) + A 2 cos(ω 2 t + φ 2 ) x 2 = 2A 1 cos(ω 1 t + φ 1 ) + 2A 2 cos(ω 2 t + φ 2 ) όπου τα A 1, A 2, φ 1, φ 2 είναι πραγματικές σταθερές. Θα τις προσδιορίσουμε ώστε να ικανοποιούνται οι αρχικές συνθήκες. Οι αρχικές συνθήκες που δίνονται στο ερώτημα (β) γράφονται ως εξής: (1.5.10) x 1(t = 0) = d, x 2(t = 0) = 0, ẋ 1(t = 0) = 0, ẋ 2(t = 0) = 0. Η Εξ. (1.5.9) δίνουν (1.5.11) x 1(t = 0) = A 1 cos(φ 1 ) + A 2 cos(φ 2 ), x 2(t = 0) = 2A 1 cos(φ 1 ) + 2A 2 cos(φ 2 ). Επίσης, παραγωγίζοντας τις (1.5.9) και θέτοντας t = 0 παίρνουμε (1.5.12) ẋ 1(t = 0) = ω 1 A 1 sin(φ 1 ) ω 2 A 2 sin(φ 2 ), ẋ 2(t = 0) = ω 1 2A1 sin(φ 1 ) ω 2 2A2 sin(φ 2 ). Αντικαθιστούμε τις (1.5.10) στις (1.5.12) και παίρνουμε 0 = ω 1 A 1 sin(φ 1 ) ω 2 A 2 sin(φ 2 ), 0 = ω 1 2A1 sin(φ 1 ) ω 2 2A2 sin(φ 2 ). από όπου βρίσκουμε sin(φ 1 ) = 0 = sin(φ 2 ) φ 1 = 0, π, φ 2 = 0, π. Αντικαθιστούμε τις (1.5.10) στις (1.5.11) και παίρνουμε Εκλέγουμε φ 1 = 0 = φ 2 και βρίσκουμε Ωστε η ζητούμενη λύση είναι d = A 1 cos(φ 1 ) + A 2 cos(φ 2 ), 0 = 2A 1 cos(φ 1 ) + 2A 2 cos(φ 2 ). A 1 = d 2 = A 2. x 1 = d 2 cos(ω 1t) + d 2 cos(ω 2t) x 2 = d 2 cos(ω 1 t) + d 2 cos(ω 2 t). Για οποιαδήποτε εκλογή των φ 1 = 0, π και φ 2 = 0, π προκύπτει η ίδια λύση.

6 1.6. Άσκηση. (ΦΙ) Εστω σώμα μάζας m το οποίο κινείται σε κύκλο ακτίνας a. (α) Θεωρήστε ότι στο σώμα δεν ασκούνται δυνάμεις και (i) γράψτε την Λαγκρανζιανή, (ii) γράψτε την εξίσωση κίνησης και (iii) βρείτε μία διατηρήσιμη ποσότητα της κίνησης. (β) Θεωρήστε τώρα ότι το ίδιο σώμα δέχεται δύναμη τριβής ανάλογη της ταχύτητάς του f = λ v. Γράψτε την εξίσωση κίνησής του. (α) Ας περιγράψουμε την θέση του σώματος με μία γωνία θ η οποία καθορίζει πλήρως την θέση του επάνω στον κύκλο. Η κινητική του ενέργεια είναι T = 1/2 ma 2 θ2 ενώ η δυναμική του ενέργεια είναι V = 0 αφού δεν του ασκείται καμμία δύναμη που να προκύπτει από δυναμικό. Άρα έχουμε Λαγκρανζιανή Η εξίσωση κίνησης είναι d dt ( L θ Άρα μία διατηρήσιμη ποσότητα είναι η L = 1 2 ma2 θ2. ) L θ = 0 d dt (ma2 θ) = 0. ma 2 θ. (β) Η δύναμη τριβής που ασκείται στο σωμάτιο είναι της μορφής f = λv, όπου λ μία σταθερά και v η ταχύτητά του. Ομως v = a θê θ Η γενικευμένη δύναμη τριβής είναι Q θ = f r dθ = λa θ ê θ r dθ. Αλλά r = a ê r = a(cos θ î + sin θ ĵ), άρα r/ θ = a ê θ, άρα Χρησιμοποιούμε τον τύπο και έχουμε την εξίσωση κίνησης d dt Q θ = λa 2 θ. ( L θ ) L θ = Q θ d dt (ma2 θ) = λa 2 θ θ + λ a θ = 0.