Ταλαντώσεις 6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση Ελατήριο σε οριζόντιο επίπεδο Σχήµα 6.1

Σχετικά έγγραφα
ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

Φυσική για Μηχανικούς

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις Β έκδοση Θέµα Α

6. Αρµονικός ταλαντωτής

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,

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2012 ΘΕΜΑΤΑ Α

1. Η απομάκρυνση σώματος που πραγματοποιεί οριζόντια απλή αρμονική ταλάντωση δίδεται από την σχέση x = 0,2 ημ π t, (SI).

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

Φυσική για Μηχανικούς

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση ΙΙ - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

Ενδεικτικές Λύσεις. Θέµα Α

εάν F x, x οµόρροπα εάν F x, x αντίρροπα B = T W T = W B

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).

Κεφάλαιο 13. Περιοδική Κίνηση

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

Κεφάλαιο 14 Ταλαντώσεις. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

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

Φυσική για Μηχανικούς

Αρµονικοί ταλαντωτές

ΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ

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)

Φυσική για Μηχανικούς

ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ 12 ΙΟΥΝΙΟΥ 2017 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις - Γ έκδοση

Αρµονικοί ταλαντωτές

Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

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

v = r r + r θ θ = ur + ωutθ r = r cos θi + r sin θj v = u 1 + ω 2 t 2

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Κεφάλαιο 14 Ταλαντώσεις. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις

Αρµονικοί ταλαντωτές

F mk(1 e ), όπου k θετική σταθερά. Στο όχημα ασκείται

Σύνολο Σελίδων: Ενδεικτικές Λύσεις Κυριακή 30 Σεπτέµβρη Θέµα Α

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

Θέµατα Φυσικής Θετικής & Τεχν.Κατ/νσης Γ Λυκείου 2000 ÈÅÌÅËÉÏ

Εξαναγκασµένες φθίνουσες ταλαντώσεις

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΕΥΑΓΓΕΛΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΣΜΥΡΝΗΣ. Φυσική Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Γ Λυκείου ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ. D = mω 2

website:

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις

Φθίνουσες ταλαντώσεις

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

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

Κεφάλαιο 11 ΣΥΝΤΗΡΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επανεξέταση του αρμονικού ταλαντωτή

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

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

7. Ταλαντώσεις σε συστήµατα µε πολλούς βαθµούς ελευθερίας

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθµολογικά ισοδύναµες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση ΙΙ - Κρούσεις

Φυσική για Μηχανικούς

συντονισµός δ. όταν η συχνότητα της διεγείρουσας δύναµης συµπέσει µε την ιδιοσυχνότητα του συστήµατος, το πλάτος γίνεται ελάχιστο 4. Κατά τη σκέδαση 2

Θέµατα Φυσικής Θετικής & Τεχν. Κατ/νσης Γ Λυκείου 2000 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

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

Ενδεικτικές Λύσεις. Θέµα Α

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Πτυχιακή εξέταση στη Μηχανική ΙI 20 Σεπτεμβρίου 2007

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ 2003

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ 2003

Ταλάντωση, γραφικές παραστάσεις και ρυθµοί µεταβολής

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ & ΕΠΑ.Λ. Β 10 ΙΟΥΝΙΟΥ 2014 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

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

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

Σύνολο Σελίδων: έξι (6) - ιάρκεια Εξέτασης: 3 ώρες Βαθµολογία % Ονοµατεπώνυµο: Θέµα Α

ΦΥΣΙΚΗ Γ' ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ 2006 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ & ΕΠΑ.Λ. Β 29 ΜΑΪOY 2015 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

Σχολή E.Μ.Φ.Ε ΦΥΣΙΚΗ ΙΙΙ (ΚΥΜΑΤΙΚΗ) Κανονικές Εξετάσεις Χειµερινού εξαµήνου t (α) Αν το παραπάνω σύστηµα, ( m, s,

Σύνολο Σελίδων: επτά (7) - ιάρκεια Εξέτασης: 3 ώρες Κυριακή 8 Οκτώβρη 2017 Βαθµολογία % Ονοµατεπώνυµο: Θέµα Α

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κρούσεις - Αρµονική Ταλάντωση Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

Ονοματεπώνυμο: Επιμέλεια διαγωνίσματος: Αξιολόγηση :

Κρούσεις. 1 ο ΘΕΜΑ.

απόσβεσης, με τη βοήθεια της διάταξης που φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Η σταθερά του ελατηρίου είναι ίση με k = 45 N/m και η χρονική εξίσωση της

ÁÎÉÁ ÅÊÐÁÉÄÅÕÔÉÊÏÓ ÏÌÉËÏÓ

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 2-Απρίλη-2016

ΟΜΟΣΠΟΝ ΙΑ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΩΝ ΦΡΟΝΤΙΣΤΩΝ ΕΛΛΑ ΟΣ (Ο.Ε.Φ.Ε.) ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ 2016 Α ΦΑΣΗ

Επαναληπτικό διαγώνισµα Ταλαντώσεις Στερεό σώµα

Στις ερωτήσεις 1-4 να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

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

Φυσική Ο.Π. Γ Λυκείου

Φυσική για Μηχανικούς

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

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

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

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ-ΟΜΟΓΕΝΩΝ 25/7/2015

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

ΑΣΚΗΣΕΙΣ επάνω στην ύλη της Προόδου 1 Δ. ΚΟΥΖΟΥΔΗΣ. Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Χειμερινό Εξάμηνο 2015

ΘΕΜΑ 1 Nα γράψετε στο τετράδιο σας τον αριθµό καθεµιάς από τις παρακάτω ερωτήσεις 1-4 και δίπλα το γράµµα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

Α. Ροπή δύναµης ως προς άξονα περιστροφής

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΕ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 2 Σεπτεμβρίου 2010

Transcript:

6 Ταλαντώσεις 6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση 6.1.1 Ελατήριο σε οριζόντιο επίπεδο Υποθέτουµε ότι το ελατήριο έχει αρχικό µήκος µηδέν, ιδανικό ελατήριο. F=-kx x K M x Σχήµα 6.1 ιαστάσεις µεγεθών : k d x dt Λύση της διαφορικής εξίσωσης κίνησης : = kx, Νόµος του Νεύτωνα d x dt = k x, ω = k, ω = d x dt = ω x Nt eter k Nt Kg eter sec. xt) = A cosωt) + B sinωt) Οι συναρτήσεις cosωt) και sinωt) ικανοποιούν, είναι λύσεις, της προηγούµενης διαφορικής εξίσωσης και το άθροισµα των δύο συναρτήσεων ικανοποιεί τη διαφορική εξίσωση. x = A cosωt) + B sinωt) = ) A + B A A + B cosωt) + B A + B sinωt) = x sinωt + φ ) sin φ = k A A + B, cos φ B = A + B x = A + B Αρχικές συνθήκες : x) = x 1 και v) = v 1 Χρησιµοποιώντας τα x 1, v 1 ϐρίσκουµε τα A, B ή x, φ.

13 Ταλαντώσεις x = A +B φ B A Σχήµα 6. Η ενέργεια διατηρείται, η δυναµική ενέργεια του ελατηρίου είναι : Ux) = 1 kx E = 1 v + 1 E = 1 kx kx σταθερή E = 1 ω x Μέση Κινητική και υναµική Ενέργεια Ορίζουµε τη µέση χρονική τιµή µιας ποσότητας At) A = 1 T T At)dt K = 1 T T = 1 1 T ω x U = 1 T T Kt)dt = 1 T T T 1 v t)dt cos ωt + φ ) dt = 1 4 ω x 1 kx sin ωt + φ ) dt = 1 4 ω x K = U και E = E = K + U Παρατήρηση T cos ωt + φ ) dt = T. Ελατήριο κατακόρυφα σε οµογενές ϐαρυτικό πεδίο Στην ϑέση x = στο σχήµα το ελατήριο έχει το ϕυσικό του µήκος. x= x F=-kx B=g x Σχήµα 6.3

6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση 131 Εξίσωση κίνησης Θέτουµε y = x g k dy dt = dx dt και d x dt d x dt d y dt = kx + g = k = d x dt x k g ) d y dt yt) = y sin ωt + φ ) xt) = y sin ωt + φ ) + g k Ταλάντωση µε συχνότητα ω γύρω από το σηµείο x Ισ = g k. Στο σηµείο x Ισ έχουµε kx Ισ = g = k y = ω y άρα το σηµείο x Ισ είναι το σηµείο ισορροπίας του συστήµατος, όπου η δύναµη του ϐάρους ισούται µε τη δύναµη του ελατηρίου. Εξετάζουµε το σύστηµα ενεργειακά : Ux 1 ) Ux ) = x x F ολ dx = kx)dx + x 1 x 1 x Ux 1 ) Ux ) = 1 kx 1 1 kx + gx x 1 ) x 1 gdx Ορίζουµε Ux = ) = Ux) = 1 kx gx, παραβολή E Ux) x Ισ x U Σχήµα 6.4 d U dx du dx du dx = = kx g για x = x Ισ x Ισ = g k = k > ευσταθής ισορροπία

13 Ταλαντώσεις Ux) = 1 kx gx = 1 kx kx Ισ x ± 1 kx Ισ Ux) = 1 k x x ισ) + U, U = 1 kx Ισ Εποµένως για την εξίσωση κίνησης έχουµε Ταλάντωση µε συχνότητα γύρω από τη ϑέση ισορροπίας x Ισ. d x dt = F x) = du dx = kx x Ισ) ω = k = 1 d U dx 6.1. Κίνηση Συστηµάτων κοντά σε µια ϑέση Ευσταθούς Ισορροπίας Το σύστηµα περιγράφεται από µία συνάρτηση δυναµικής ενέργειας Ux) F = du dx Εάν έχουµε ένα σηµείο x ισ ευσταθούς ισορροπίας ελάχιστο της δυναµικής ενέργειας) dux = x ισ ) dx =, d Ux ισ ) dx > Αναπτύσσουµε τη δυναµική ενέργεια σε σειρά Taylor γύρω από το σηµείο x ισ dux Ux) = Ux ισ ) + ισ ) x x ισ ) + 1 dx Για x x ισ 1 κρατάµε µόνο τον πρώτο µη-µηδενικό όρο Θέτουµε Νόµος του Νεύτωνα : F = du dx d Ux ισ ) dx x x ισ ) +... Ux) = Ux ισ ) + 1 d Ux ισ ) dx x x ισ ) k = U x ισ ) = d Ux ισ ) dx > Ux) = Ux ισ ) + 1 kx x ισ) F = kx x ισ ) d x dt = kx x ισ) Εποµένως έχουµε ταλάντωση γύρω από τη ϑέση ισορροπίας x ισ µε συχνότητα ω = k = 1 U x ισ ) Εφαρµογή Κεντρικό δυναµικό δίνεται από τη σχέση α) Βρείτε για ποια τιµή του r έχουµε ισορροπία U = a r n + b r, a, b > ϐ) Για ποιες τιµές του n η ισορροπία αυτή είναι ευσταθής ; γ) Βρείτε την περίοδο της ταλάντωσης που εκτελεί ένα σώµα µάζας που ϐρίσκεται κοντά στο σηµείο της ευσταθούς ισορροπίας. Υποθέτουµε ότι το σώµα κινείται µόνο ακτινικά.

6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση 133 Λύση: α) du dr = Ισορροπία ακρότατο πρώτη παράγωγος = du = na dr r=r ϐ) Ευσταθής ισορροπία ελάχιστο d Ur ) dr > d U dr U r ) = 1 r 4 + 1)na = n r n+ na b rn+1 r 3 r n+1 = b r 3 + 6b r 4 = 1 r 4 6b ) 6b n + 1) na r n r n = na b ) nn + 1)a r n = 1 r 4 6b bn + 1)) U r ) = b r 4 3 n + 1)) > > n γ) Περίοδος ταλάντωσης µάζας γύρω από το σηµείο ευσταθούς ισορροπίας r. U r ) = b n) r 4 = k > για n < και r n = na b, ω = k ω = k Ur ) = b ) r n 1 < E r 1 r r Ur) Ur ) Σχήµα 6.5 διότι Ur 1 ) =, r1 n = b a r n = b na > r n 1 = b a n > 1 Γενικά η δύναµη ορίζεται ως εξής F = U

134 Ταλαντώσεις όταν γνωρίζουµε τη δυναµική ενέργεια Ur). Οταν η δυναµική ενέργεια εξαρτάται µόνο από το r = r τότε F = du dr ˆr µε ακτινική κατεύθυνση. Ο νόµος του Νεύτωνα για την κίνηση είναι d r dt το σώµα δεν περιστρέφεται και εκτελεί µόνο ακτινική κίνηση έχουµε d r είναι 6.1.3 Απλό εκκρεµές d r dt = du dr dt = F ωστόσο στην περίπτωση που = d r ˆr. Τελικά η εξίσωση κίνησης dt O -θ θ θ B T θέση ισορροπίας Σχήµα 6.6 r θ B + T = d r dt Χρησιµοποιούµε πολικές συντεταγµένες r, θ) = a v = dr dt = l dθ dt ˆθ όπου l το µήκος του νήµατος και η µάζα του σφαιριδίου. Το νήµα είναι αβαρές και µη εκτατό. a = d r dt = dv ) dt = l d θ dt ˆθ dθ l ˆr dt T = T ˆr, B = g sin θ ˆθ + g cos θˆr ) dθ l = T + g cos θ dt l d θ dt = g sin θ Χρησιµοποιούµε τη δεύτερη εξίσωση για να προσδιορίσουµε την κίνηση : θ = g l sin θ = ω sin θ ω = g l ω = Μέγιστη γωνία απόκλισης από την κατακόρυφο ϑέση ισορροπίας) είναι η θ. Το σώµα κάνει ταλάντωση περιοδική κίνηση από τη γωνία θ µέχρι τη γωνία θ. Αναπτύσσουµε τη συνάρτηση sin θ γύρω από τη ϑέση ισορροπίας θ = g l sin θ = θ θ3 3! + θ5 5! +...

6.1 Απλή Αρµονική Ταλάντωση σε µία ιάσταση 135 Εάν θ.1 σε ακτίνια, δηλαδή σε µοίρες 6, µπορούµε να κρατήσουµε µόνο το γραµµικό όρο και να αµελήσουµε την επίδραση των όρων θ 3, θ 5,... στην κίνηση θ = ω θ Απλή Αρµονική Ταλάντωση θt) = θ sin ω t + φ ) Περίοδος ταλάντωσης : ω = π g T = l T = π l g Εξίσωση κίνησης από τη στροφορµή : L N dl dt = N = r v = l dθ dt ˆr ˆθ = l dθ dt ẑ = r B = lg sin θẑ l d θ = lg sin θ dt θ = g l sin θ Υπολογισµός των περιόδων ταλάντωσης T για µεγάλη γωνία απόκλισης θ. O θ θ h H Σχήµα 6.7 E = K + U K = 1 v = 1 ) dθ l dt U = gh = gl 1 cos θ) = gl sin θ Η ενέργεια διατηρείται = EH) = gl 1 cos θ ) = gl sin θ 1 ) dθ l + gl1 cos θ) = gl 1 cos θ ) dt ) dθ = g cos θ cos θ ) = 4g dt l l g dθ dt = l sin θ sin θ sin θ θ ) sin

136 Ταλαντώσεις T/4 Ελλειπτικό ολοκλήρωµα πρώτου είδους. Αλλαγή µεταβλητής sin θ = sin θ sin u dt = 1 Πλήρες ελλειπτικό ολοκλήρωµα πρώτου είδους. l θ g dθ sin θ sin θ g T π/ l 4 = du 1 k sin u, k = sin θ Θα υπολογίσουµε το ολοκλήρωµα µε ανάπτυξη σε σειρά της συνάρτησης 1 k sin u) 1/ 1 k sin u ) 1/ = 1 + 1 k sin u + 3 8 k4 sin 4 u +... g T l 4 = π + k T = π π/ l g sin udu + 3k4 8 π/ sin 4 udu +... 1 + 1 θ 4 sin + 9 θ ) 64 sin4 +... Μερικές απλές σχέσεις που χρησιµοποιήθηκαν στους υπολογισµούς π/ sin udu = π 4 d sin θ ) = sin θ dsin u) dθ = sinθ /) cos udu cosθ/) cos θ = 1 sin θ sin u 6. Φθίνουσα και Εξαναγκασµένη Ταλάντωση 6..1 Λύση της απλής αρµονικής ταλάντωσης x = ω x Γραµµική οµογενής δευτέρου ϐαθµού µε σταθερούς συντελεστές. οκιµάζουµε σαν λύση την x = e ρt. x = ρ e ρt ρ = ω ρ = ±iω x = c 1 e iωt + c e iωt γενική λύση της διαφορικής) e iωt = cosωt) + i sinωt) x R c = c 1 x = c 1 + c 1) cosωt) + i c 1 c 1) sinωt) A = c 1 + c 1 R και B = i c 1 c 1) R x = A cosωt) + B sinωt) = x sinωt + φ )

6. Φθίνουσα και Εξαναγκασµένη Ταλάντωση 137 6.. Φθίνουσα ταλάντωση, δύναµη τριβής ανάλογη της ταχύτητας d x dt = kx bdx dt x + bx + kx = x = e ρt ρ + bρ + k = Λύνουµε το τριώνυµο ρ 1, = b ± 1 b 4k ρ 1, = b b ± ) k, ω = k Γενική λύση : ρ 1, = b ± ) b x = c 1 e ρ1t + c e ρt ιερεύνηση α) b 4k >, µεγάλη δύναµη τριβής, απεριοδική κίνηση ρ 1 = b b ρ 1, R και ρ = b + ) k < ) b k < c 1 + c xt) = c 1 e β1t + c e βt t = t Σχήµα 6.8 ρ 1 = β 1, ρ = β ϐ) b 4k <, µικρή δύναµη τριβής, περιοδική κίνηση όπου ω = ω b ) ρ 1, = b ± 1 ρ 1, = b ± i 4k b ) k ) b = b ± i ω xt) = c 1 e bt/ e i ωt + c e bt/ e i ωt x R c = c 1 xt) = x e bt/ sin ωt + φ )

138 Ταλαντώσεις xt) για φ = π/ x e bt/ Σχήµα 6.9 Ενεργειακή µελέτη Εάν ορίσουµε την µηχανική ενέργεια στιγµιαία ως συνήθως Et) = Kt) + Ut) έχουµε : Et) = 1 v + 1 kx de dv = v dt dt + kxdx dt de dt = dv ) dt + kx v = bv v = bv = F τϱ v άρα η απώλεια ενέργειας είναι ίση µε το έργο της δύναµης τριβής. Πρόβληµα Σώµα µάζας είναι δεµένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k. Ο συντελεστής τριβής µεταξύ µάζας και οριζοντίου επιπέδου είναι σταθερός και ίσος µε µ. Την χρονική στιγµή t = δίνεται στην µάζα αρχική ταχύτητα v. Βρείτε την µετατόπιση xt) του ταλαντωτή σαν συνάρτηση του χρόνου. Σε πόσο χρόνο ϕτάνει η µάζα πρώτη ϕορά στο ακρότατο σηµείο ; Πόση ταχύτητα έχει η µάζα στη ϑέση ισορροπίας µετά από µία πλήρη ταλάντωση ; Λύση: Επειδή η δύναµη τριβής F T εξαρτάται από την κατεύθυνση της κίνησης λύνουµε την εξίσωση κίνησης χωριστά για κάθε ένα από τα τέσσερα µέρη µιας πλήρους ταλάντωσης. ι) Εάν A 1 η µέγιστη αποµάκρυνση από την ϑέση ισορροπίας, µελετάµε την κίνηση για < x < A 1 καθώς το σώµα κινείται προς το ακρότατο A 1. Η δύναµη τριβής είναι F T = µg. Η εξίσωση κίνησης είναι : x = kx + F T = kx µg x = k x µg = ω x + µg ) όπου = k. Ορίζοντας την νέα µεταβλητή y = x + µg η εξίσωση κίνησης γίνεται : Η λύση της εξίσωσης κίνησης είναι : όπου µπορούµε να γράψουµε ω = π T. Αρχικές συνθήκες y = ω y yt) = A cos ω t + B sin ω t y t) = ω A sin ω t + ω B cos ω t x) = y) = A = µg ω x ) = y ) = v ω B = v B = v ω

6. Φθίνουσα και Εξαναγκασµένη Ταλάντωση 139 Η λύση για την µετατόπιση xt) είναι : xt) = yt) µg ω και για την ταχύτητα του σώµατος ϐρίσκουµε : = µg cos ω t + v sin ω t µg ω vt) = x µg v t) = ω sin ω t + ω cos ω t ω Γράφουµε την λύση µε ένα διαφορετικό τρόπο ο οποίος µπορεί να µας δώσει περισσότερες πληροφορίες yt) = A cos ω t + B sin ω t = ) A + B A A + B cos ω B t + A + B sin ω t και όπου sin φ = Η ταχύτητα της µάζας είναι = y sin φ cos ω t + cos φ sin ω t) = y sinω t + φ ) xt) = y sinω t + φ ) µg ω y = A + B = µ g ω 4 + v ω A A + B, cos φ B = A + B tan φ = A B = µg v ω vt) = x t) = ω y cosω t + φ ) Η ταχύτητα της µάζας είναι µηδέν όταν cosω t 1 + φ ) = εκείνη την χρονική στιγµή sinω t 1 + φ ) = 1 και το ελατήριο έχει την µέγιστη απαµάκρυνση A 1 όπου A 1 = y µg ω = µ g Άρα η µάζα ϕτάνει στο ακρότατο A 1 όταν ικανοποιείται η εξίσωση Ενεργειακή µελέτη του προβλήµατος : ω t 1 + φ = π t 1 = ω 4 + v µg π ω φ ω = T 4 φ π T W ɛλ A 1 + W T A 1 = K = 1 v W ɛλ A 1 = U) UA 1 ) = 1 ka 1, W T A 1 = µga 1 1 ka 1 µga 1 = 1 v v = k A 1 + µga 1 = ω A 1 + µga 1 Η λύση της τελευταίας εξίσωσης είναι : A 1, = µg ± 1 4µ g + 4 v = µg µ ± g 4 + v κρατάµε µόνο την ϑετική λύση. Άρα η µέγιστη αποµάκρυνση του ελατηρίου από την ϑέση ισορροπίας είναι : A 1 = µg µ + g 4 + v Η δύναµη του ελατηρίου στο ακρότατο είναι F ελ = ka 1 ενώ η δύναµη της τριβής ειναι F T = µg. Οι δύο δυνάµεις έχουν αντίθετη κατεύθυνση. Εάν F T > F ελ τότε το σώµα παραµένει ακίνητο στην ϑέση x = A 1.

14 Ταλαντώσεις ιι) Μελέτη της κίνησης καθώς το σώµα επιστρέφει για πρώτη ϕορά στη ϑέση ισορροπίας, < x < A 1. Υποθέτουµε ότι F T < F ελ δηλαδή µg < ka 1, το σώµα αρχίζει να κινείται προς την ϑέση ισορροπίας και ϕτάνει εκεί µε ταχύτητα v 1. Υπολογίζουµε την ταχύτητα v 1 από το ϑεώρηµα µεταβολής της κινητικής ενέργειας : έχουµε : W ɛλ A 1 + W T A 1 = 1 v 1 1 ka 1 µga 1 = 1 v 1 v 1 = k A 1 µga 1 v = k A 1 + µga 1 k A 1 = v µga 1 v 1 = v 4µgA 1 < v Λύση της εξίσωσης κίνησης για την κίνηση του σώµατος απο x = A 1 x = και υπολογισµός του χρόνου κίνησης t : x = k x + µg = ω x µg ) µε αρχικές συνθήκες xt = ) = A 1, vt = ) =. Ορίζουµε την νέα µεταβλητή y = x µg και η εξίσωση κίνησης γίνεται y = ω ω y. Λύνουµε την νέα εξίσωση κίνησης ως προς y και χρησιµοποιώντας τις αρχικές συνθήκες ϐρίσκουµε την λύση για την µετατόπιση x. yt) = A cos ω t + B sin ω t, y t) = ω A sin ω t + ω B cos ω t y) = A = A 1 µg, y ) = x ) = B = x µg ω Υπολογίζουµε τον χρόνο κίνησης : = A 1 µg ω xt ) = A 1 µg ) cos ω t + µg Εχουµε ήδη δεχτεί ότι ka 1 > µg άρα A 1 > µg k = µg ω ) cos ω t x = A 1 µg ) cos ω t + µg = cos ω t = µg ω A 1 µg ω cos ω t < ω t > π t > T 4 ιιι) Μελέτη της κίνησης καθώς το σώµα κινείται σε αρνητικές τιµές της αποµάκρυνσης από τη ϑέση ισορροπίας µέχρι το ακρότατο για x = A και πίσω στη ϑέση ισορροπίας x =. Το σώµα µαζας κινείται προς τα αριστερα αρνητικά x) µε αρχική ταχύτητα v) = v 1 και ϕτάνει µέχρι τη ϑέση x = A όπου µε ϐάση τα προηγούµενα ερωτήµατα έχουµε : A = µg + µ g ω 4 + v 1 ω < A 1 Εάν ka > µg τότε το σώµα ϑα κινηθεί προς τα δεξιά µέχρι τη ϑέση ισορροπίας όπου ϑα ϕτάσει µε ταχύτητα : v = v 1 4µgA < v 1 Εά υποθέσουµε τέλος ότι µg = ka T τότε κάποια στιγµή το σώµα ϑα ακινητοποιηθεί όταν A n < A T. 6..3 Εξαναγκασµένη ταλάντωση d x dt = kx bdx dt + F t) F t) = περιοδική δύναµη = F sinωt) Η λύση xt) είναι άθροισµα της λύσης της οµογενούς εξίσωσης χωρίς την εξωτερική δύναµη και µια µερική λύση της εξίσωσης µε την εξωτερική δύναµη F t). xt) = x οµογ t) + x εξ t)

6. Φθίνουσα και Εξαναγκασµένη Ταλάντωση 141 x οµογ t) = x ϕθιν t) = ce bt/ sin ωt + φ ) x οµογ t ) και παραµένει µόνο η λύση που οφείλεται στην εξωτερική δύναµη x εξ t) = A sinωt) + B cosωt) xt) = A sinωt) + B cosωt) για t τ = b Αντικαθιστούµε την xt) και τις παραγώγους στη διαφορική εξίσωση και υπολογίζουµε τους συντελεστές A, B. x t) = ωa cosωt) ωb sinωt) x t) = ω A sinωt) ω B cosωt) [ ω A ωbb + ka ] sinωt) + [ ω B + ωba + kb ] cosωt) = F sinωt) { ω A ωbb + ka = F ω B + ωba + kb = Από τη δεύτερη εξίσωση έχουµε A = k + ω B A = ω ωb b/)ω B, όπου ω = k και από την πρώτη εξίσωση παίρνουµε ω ω ) B = b F b ω ) A = ω + ω ) b F ω ω ) ) ω + ω ) Απόκρισή του συστήµατος στην εξωτερική δύναµη x = x sin ωt + φ ) όπου x = A + B x = F / [ ) ] 1/ b ω + ω ) tan φ = B A = b/)ω ω ω Η γωνία φ είναι πάντα αρνητική ω < ω π < φ < ω > ω π < φ < π Μέγιστη απορόφηση ενέργειας από το σύστηµα όταν η δύναµη είναι σε ϕάση µε την ταχύτητα διότι dw dt = F v v = dx dt = ωx cosωt + φ) όταν ω ω έχουµε φ π και η ταχύτητα είναι v ωx sinωt) σε ϕάση µε την δύναµη. Μέγιστο πλάτος ταλάντωσης : dx = dω ω=ωax

14 Ταλαντώσεις x x ax ω ax /ω 1 ω=ω ) ω/ω Σχήµα 6.1 Συντονισµός για ω ω ax, x = µέγιστο ω ax = ω x,ax = F b b 1 ω b /4 ) 1/ b x,ax, φ π Παρατήρηση : Οταν b = παίρνουµε B = και x = A sinωt) όπου A = F Εφαρµογή : εξαναγκασµένη ταλάντωση χωρίς απόσβεση 1 ω ω. Απλός αρµονικός ταλαντωτής έχει µάζα και ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης ω. Την χρονική στιγµή t = καθώς ο ταλαντωτής περνά από τη ϑέση ισορροπίας µε ταχύτητα v ασκείται εξωτερική περιοδική δύναµη F t) = F cos ωt. α) Βρείτε την µετατόπιση xt) του ταλαντωτή από την ϑέση ισορροπίας. ϐ) Υποθέτωντας ότι ω ω δηλαδή ω = ω + δω και δω ϐρείτε την εξίσωση κίνησης του ταλαντωτή. α) Η εξίσωση κίνησης του ταλαντωτή υπό την επίδραση και της εξωτερικής δύναµης είναι : ϑέτοντας k = η εξίσωση κίνησης γίνεται : x = kx + F t) x + k x = F cos ωt x + x = F cos ωt Η Γενική Λύση της εξίσωσης κίνησης είναι το άθροισµα της Λύσης της Οµογενούς εξίσωσης συν µία Μερική Λύση λόγω της εξωτερικής δύναµης : xt) = A 1 cos ω t + B 1 sin ω t + A cos ωt x t) = ω A 1 sin ω t + ω B 1 cos ω t ωa sin ωt x t) = ω A 1 cos ω t ω B 1 sin ω t ω A cos ωt Με αντικατάσταση στην εξίσωση κίνησης ϐρίσκουµε ότι : ω A + A = F A = F 1 ω ω Παρατήρηση : Εάν προσθέσουµε στη λύση και τον όρο B sin ωt µπορούµε να δείξουµε εύκολα ότι τελικά έχουµε B =.

6. Φθίνουσα και Εξαναγκασµένη Ταλάντωση 143 Αρχικές συνθήκες Η λύση για την µετατόπιση xt) είναι : x) = A 1 + A = A 1 = A = F xt) = 1 ω ω v) = v ω B 1 = v B 1 = v ω F ω ω ) cos ωt cos ω t) + v ω sin ω t ϐ) Ζητάµε το όριο της xt) όταν ω = ω + δω και δω. Επειδή το δω είναι µία µικρή ποσότητα αναπτύσσουµε την συνάρτηση συνηµίτονο σε σειρά cos ωt = cosω t + δωt) = cos ω t sinω t)δωt 1 cosω t)δωt) και κρατάµε µόνο τον γραµµικό ως προς δω όρο. Ο όρος που είναι ανάλογος του δω) δεν συνεισφέρει στο όριο δω. Για τον παρονοµαστή της αρχικής έκφρασης έχουµε : ω ω = ω + ω)ω ω) = ω + δω) δω) ω δω στο όριο όπου δω. Αντικαθιστώντας στην αρχική συνάρτηση xt) της µετατόπισης ϐρίσκουµε : xt) = F ω δω cos ω t δωt sin ω t cos ω t) + v ω sin ω t xt) = F ω δω δωt) sin ω t + v ω sin ω t xt) = F ω t sin ω t + v ω sin ω t xt) = v ω + F ω t) sin ω t 6..4 Ηλεκτρικά κυκλώµατα R, L, C α) Κύκλωµα L, C V L + V C = L di dt + Q C = I = dq dt L d Q dt + Q C = Q = 1 LC Q Q = Q sin ω t + φ ) ω = 1 LC L +Q -Q C ϐ) Κύκλωµα R, L, C σε σειρά

144 Ταλαντώσεις V L + V R + V C = L di dt + IR + Q C = R = R 1 + R, I = dq dt L R 1 R C Φθίνουσα ταλάντωση L d Q dt + R dq dt + Q C = Q = Q e Rt/L sin ωt + φ ), ω = 1 LC ) R L γ) Κύκλωµα R, L, C και εξωτερική πηγή V t) = V sinωt) V L + V R + V C = V t) L di dt + IR + Q C = V sinωt) R = R 1 + R, I = dq dt L Vt) R 1 C R Συντονισµός ω = 1 LC R L µέγιστο Q LQ + RQ + Q C = V sinωt) Q = Q sin ωt + φ ) V /L Q = [ R ) ω L + ω 1 ) ] 1/ LC I = dq dt = ωq cos ωt + φ ) V ω/l I = ωq = [ R ) ω L + ω 1 ) ] 1/ LC R ) L V = I ω L ω + ω 1 ) LC V = I R + Lω 1 ) = ZI ωc ω = 1 LC µέγιστο I

6.3 Εφαρµογή για τη σύνθεση ταλαντώσεων διακρότηµα) 145 i) K M K M K ii) x 1 x Σχήµα 6.11 6.3 Εφαρµογή για τη σύνθεση ταλαντώσεων διακρότηµα) ύο µάζες 1 = = ολισθαίνουν χωρίς τριβή σε οριζόντιο επίπεδο, υπό την επίδραση τριών ελατηρίων µε k 1 = k = k 3 = k. α) Υποθέστε ότι για t = οι µάζες ϐρίσκονται στις ϑέσεις ισορροπίας τους και v 1 = v. Βρείτε τη ϑέση της κάθε µάζας συναρτήσει του χρόνου και τη συχνότητα της ταλάντωσης. ϐ) v 1 = v για t = παρόµοια ερωτήµατα). γ) v 1 =, v =, x = a, y = για t = παρόµοια ερωτήµατα). Οι εξισώσεις κίνησης είναι Αθροίζουµε : Αφαιρούµε : d x 1 dt = kx 1 + k x x 1 ) d x dt = kx k x x 1 ) d dt x 1 + x ) = kx 1 + x ) d dt x 1 x ) = 3kx 1 x ) Ορίζουµε τις νέες µεταβλητές A = x 1 + x και B = x 1 x µε εξίσωση κίνησης Λύση των διαφορικών εξισώσεων : d A dt d B dt = ka ω A = k = 3kB ω B = 3k At) = A 1 sin ω A t + A cos ω A t Bt) = B 1 sin ω B t + B cos ω B t Γυρνάµε πίσω στα x 1, x : At) + Bt) x 1 t) = = 1 [A 1 sin ω A t + B 1 sin ω B t + A cos ω A t + B cos ω B t] At) Bt) x t) = = 1 [A 1 sin ω A t B 1 sin ω B t + A cos ω A t B cos ω B t]

146 Ταλαντώσεις Απάντηση στην περίπτωση α) µε x 1 t = ) =, x t = ) =, v 1 t = ) = v t = ) { x 1 ) = A + B = x ) = A B = A =, B = x 1 t) = A 1 sin ω At + B 1 sin ω Bt x t) = A 1 sin ω At B 1 sin ω Bt v 1 = dx 1 dt v = dx dt = ω A A 1 cos ω At + ω B B 1 cos ω Bt = ω A A 1 cos ω At ω B B 1 cos ω Bt A 1 v 1 ) = v ) ω A + ω B = ω A + ω B ω A A 1 = A 1 = διότι ω A x 1 t) = B 1 sin ω Bt x t) = B 1 sin ω Bt δηλαδή το σύστηµα ταλαντεύεται µε x 1 t) = x t) και µε συχνότητα ω B. B 1 A 1 B 1 Οµοια απαντάµε στην περίπτωση ϐ) όπου ϐρίσκουµε x 1 t) = A 1 sin ω At x t) = A 1 sin ω At δηλαδή το σύστηµα ταλαντεύεται µε x 1 t) = x t) και µε συχνότητα ω A = k/, σαν να µην υπάρχει το µεσαίο ελατήριο. Απάντηση στην περίπτωση γ) µε v 1 ) =, v ) =, x 1 ) = a, x ) = { v 1 ) = ω A A 1 + ω B B 1 = v ) = ω A A 1 ω B B 1 = A 1 =, B 1 = x ) = A = B x 1 t) = A cos ω At + cos ω B t) x t) = A cos ω At cos ω B t) x 1 ) = a = A = A A = a cos ω A t + cos ω B t = cos ω B ω A t cos ω B + ω A t cos ω A t cos ω B t = sin ω B ω A t sin ω B + ω A t [ )] ) ωb ω A ωb + ω A x 1 t) = a cos t cos t [ )] ) ωb ω A ωb + ω A x t) = a sin t sin t

6.3 Εφαρµογή για τη σύνθεση ταλαντώσεων διακρότηµα) 147 t t Σχήµα 6.1: ιακρότηµα