Пружинный маятник: амплитуда колебаний, период, формула

Электрическая цепь

Тип: Электрическая потенциальная энергия

Когда мы соединяем электричество с электрическими цепями и устройствами, мы преобразуем энергию из одной формы в другую. Электронные схемы хранят (потенциальную) энергию и передают ее в другие формы, такие как свет, тепло или движение.

Подобно тому, как объекты под действием силы тяжести обладают гравитационной потенциальной энергией, заряды в электрическом поле обладают электрической потенциальной энергией.

Электрическая потенциальная энергия заряда показывает, сколько энергии он содержит. При приведении в движение электростатической силой эта накопленная энергия становится кинетической, и заряд действительно работает (что измеряется в джоулях).

Для любого заряда в электрическом поле его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (отрицательного или положительного), количества заряда и его положения в поле.

Закон сохранения полной механической энергии

Изучение движения тел под действием силы тяжести и сил упругости показало, что существует некая физическая величина, которую называют потенциальной энергией Еп; она зависит от координат тела, а ее изменение приравнивается ИКЭ, которая взята с противоположным знаком: ΔЕп = -ΔЕк. Итак, сумма изменений КЭ и ПЭ тела, которые взаимодействуют с гравитационными силами и силами упругости, равна : ΔЕп + ΔЕк = 0. Силы, которые зависят только от координат тела, называют консервативными. Силы притяжения и упругости являются консервативными силами. Сумма кинетической и потенциальной энергий тела является полной механической энергией: Еп + Ек = Е.

Этот факт, который был доказан наиболее точными экспериментами,называют законом сохранения механической энергии. Если тела взаимодействуют силами, которые зависят от скорости относительного движения, механическая энергия в системе взаимодействующих тел не сохраняется. Примером сил такого типа, которые называются неконсервативными, являются силы трения. Если на тело действуют силы трения, то для их преодоления необходимо затратить энергию, то есть ее часть используется на выполнение работы против сил трения. Однако нарушение закона сохранения энергии здесь только мнимое, потому что он является отдельным случаем общего закона сохранения и преобразования энергии. Энергия тел никогда не исчезает и не появляется вновь: она лишь преобразуется из одного вида в другой. Этот закон природы очень важен, он выполняется повсюду. Его еще иногда называют общим законом сохранения и преобразования энергии.

Понятие энергии

Прежде чем рассматривать особенности пружины следует уделить внимание тому, что с ней происходит при сжатии, растяжении и каким образом она оказывает воздействие на тело, окружающую систему. Энергия – скалярная физическая величина, которая применяется для определения формы движения и взаимодействия материи

Важным моментом назовем то, что если система замкнутая, то усилие сохраняется на протяжении длительного периода. Сегодня она окружает нас практически везде и касается довольно большого количества объектов.

Довольно большое распространение получило понятие кинетическая энергия пружины. Она связано с непосредственными особенностями самого изделия. При воздействии определенного усилия на витки, расположенные вдоль одной спирали, формируется сила, которая может использоваться в качестве полезной работы.

Уравнения колебаний пружинного маятника

Колебания пружинного маятника совершаются по гармоническому закону. Формула, по которой проводится расчет, выглядит следующим образом: F(t)=ma(t)=-mw2x(t).

В приведенной выше формуле указывается (w) радиальная частота гармонического колебания. Она свойственна силе, которая распространяется в границах применимости закона Гука. Уравнение движения может существенно отличаться, все зависит от конкретного случая.

Если рассматривать колебательное движение, то следует уделить внимание следующим моментам:

  1. Колебательные движения наблюдаются только в конце перемещения тела. Изначально оно прямолинейное до полного освобождения усилия. При этом сила упругости сохраняется на протяжении всего времени, пока тело находится в максимально отдаленном положении от нуля координат.
  2. После растяжения тело возвращается в исходное положение. Возникающая инерция становится причиной, по которой может оказываться воздействие на пружину. Инерция во многом зависит от массы тела, развитой скорости и многих других моментов.

В результате этого возникает колебание, которое может длиться в течение длительного периода. Приведенная выше формула позволяет провести расчет с учетом всех моментов.

Момент силы и момент импульса относительно оси

Рассмотрение деформации пружины проводится также с учетом момента силы и импульса относительно оси. Эти два параметра позволяют рассчитать все требуемые показатели с более высокой точностью. Довольно распространенным вопросом можно назвать чему равен момент силы – векторная величина, которая определяется векторному произведению радиуса на вектор приложенной силы.

Момент импульса – величина, которая применяется для определения количества вращательного движения.

Среди особенностей подобного показателя можно отметить следующее:

  1. Масса вращения. Объект может характеризоваться различной массой.
  2. Распределение относительно оси. Ось может быть расположена на различном расстоянии от самого объекта.
  3. Скорость вращения. Это свойство считается наиболее важным, в зависимости от конструкции он может быть постоянным или изменяться.

Расчет каждого показателя проводится при применении соответствующей формулы. В некоторых случаях проводится измерение требуемых вводных данных, без которых провести вычисления не получится.

Потенциальная энергия пружины

Рассматривая в качестве накопителя энергии пружину, следует отметить ее отличительные свойства от иных физических тел, которые могут накапливать энергетический потенциал. Традиционно понимается следующее: для накопления потенциала для последующего движения необходимо совершение движения в силовом поле:

Еп = F ⋅ l, Дж (Н·м),

где Еп– потенциальная энергия положения, Дж;F – сила, действующая на тело, Н;l – величина перемещения в силовом поле, м.

Энергия (работа) измеряются в Джоулях. Величина представляет произведение силы (Н) на величину перемещения (м).

Если рассматривать условие в поле тяготения, то величина силы находится произведением ускорения свободного падения на массу. Здесь сила веса находится с учетом g:

Еп = G ⋅ h = m ⋅ g ⋅ h, Дж

здесь G – вес тела, Н;m – масса тела, кг;g – ускорение свободного падения. На Земле эта величина составляет g = 9,81 м/с².

Если расстраивается пружина, то силу F нужно определять, как величину, пропорциональную перемещению:

F = K ⋅ x, Н,

где k – модуль упругости, Н/м;х – перемещение при сжатии, м.

Величина сжатия может изменяться по величине, поэтому математики предложили анализировать подобные явления с помощью бесконечно малых величин (dx) .

При наличии непостоянной силы, зависящей от перемещения, дифференциальное уравнение запишется в виде:

dEп = k ⋅ x ⋅ dx

здесь dEп – элементарная работа, Дж;dx – элементарное приращение сжатия, Н.

Интегральное уравнение на конечном перемещении запишется в виде. Ниже вывод формулы:

Пределами интегрирования является интервал от до х. Деформированная пружина приобретает запас по энергетическим показателям

Окончательно формула для расчета величины потенциальной энергии сжатия (растягивания или изгиба) пружины запишется формулой:

Связь между внутренней энергией тела кинетической и потенциальной энергиями

Между кинетической и потенциальными понятиями есть определенная взаимосвязь. Для расчета подобной связи используется следующая формула: А=Fs=mav 2 2-v 2 1/2a.

Оба значения применяются в качестве полезного действия, могут варьировать в достаточно большом диапазоне, а также зависеть от различных факторов.

В заключение отметим, что проводимые расчеты позволяют выбрать наиболее подходящий вариант исполнения изделия для конкретного механизма. При исследовании проводится отображение схемы, на которой можно увидеть распространение всех сил.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Примеры задач по нахождению кинетической энергии

1. Сравните кинетическую энергию шарика массой 9 г, летящего со скоростью 300 м/с, и человека массой 60 кг, бегущего со скоростью 18 км/час.

Итак, что нам дано: m1 = 0,009 кг; V1 = 300 м/с; m2 = 60 кг, V2 = 5 м/с.

Решение:

  • Энергия кинетическая (формула): Ек = mv2 :2.
  • Имеем все данные для расчета, а поэтому найдем Ек и для человека, и для шарика.
  • Ек1 = (0,009 кг х (300 м/с)2) : 2 = 405 Дж;
  • Ек2 = (60 кг х (5 м/с)2) : 2= 750 Дж.
  • Ек1 < Ек2.

Ответ: кинетическая энергия шарика меньше, чем человека.

2. Тело с массой 10 кг было поднято на высоту 10 м, после чего его отпустили. Какую КЭ оно будет иметь на высоте 5 м? Сопротивлением воздуха разрешается пренебречь.

Итак, что нам дано: m = 10 кг; h = 10 м; h1 = 5 м; g = 9,81 Н/кг. Ек1 — ?

Решение:

  • Тело определенной массы, поднятое на некую высоту, имеет потенциальную энергию: Eп = mgh. Если тело падает, то оно на некоторой высоте h1 будет иметь пот. энергию Eп = mgh1 и кин. энергию Ек1. Чтобы была правильно найдена энергия кинетическая, формула, которая была приведена выше, не поможет, а поэтому решим задачу по нижеследующему алгоритму.
  • В этом шаге используем закон сохранения энергии и запишем: Еп1 + Ек1 = Еп.
  • Тогда Ек1 = Еп — Еп1 = mgh — mgh1 = mg(h-h1).
  • Подставив наши значения в формулу, получим: Ек1 = 10 х 9,81(10-5) = 490,5 Дж.

Ответ: Ек1 = 490,5 Дж.

3. Маховик, имеющий массу m и радиус R, оборачивается вокруг оси, проходящей через его центр. Угловая скорость оборачивания маховика — ω. Дабы остановить маховик, к его ободу прижимают тормозную колодку, действующей на него с силой Fтрения. Сколько оборотов сделает маховик до полной остановки? Учесть, что масса маховика сосредоточена по ободу.

Итак, что нам дано: m; R; ω; Fтрения. N — ?

Решение:

  • При решении задачи будем считать обороты маховика подобными оборотам тонкого однородного обруча с радиусом R и массой m, который оборачивается с угловой скоростью ω.
  • Кинетическая энергия такого тела равна: Ек = (Jω2) : 2, где J = mR2.
  • Маховик остановится при условии, что вся его КЭ истратится на работу по преодолению силы трения Fтрения, возникающей между тормозной колодкой и ободом: Ек = Fтрения*s, гдеs — это тормозной путь, который равен 2πRN.
  • Следовательно, Fтрения*2πRN= (mR2ω2) : 2, откуда N = (mω2R) : (4πFтр).

Ответ: N = (mω2R) : (4πFтр).

Вычисление работы силы упругости

Груз совершил известное перемещение, величину силы упругости мы также знаем, векторы перемещения и силы упругости параллельны. Казалось бы, все ясно – нужно умножить величину силы на величину перемещения и получить значение работы. Однако здесь не все так просто – разберемся почему.

О чем нам говорит формула, которая выражает величину силы упругости? О том, что сила упругости – величина не постоянная, она меняется по мере перемещения груза. И действительно, величина этой силы, как мы видим из формулы, зависит от координаты центра груза. Формула же для работы силы, которую мы применяли раньше, справедлива лишь в том случае, если сила не меняет свою величину по мере движения. Как же тогда быть? Один из вариантов выхода из данной ситуации мог бы состоять в том, что мы применим такой же метод, который применялся нами ранее в разделе кинематика при расчете перемещения тела, движущегося равноускоренно.

Можно всю траекторию движения груза разбить на очень маленькие участки (участки, в пределах которых силу упругости можно считать практически постоянной). Далее в пределах каждого такого участка мы можем рассчитать работу силы упругости ввиду ее практического постоянства. Затем работа на всей области движения груза будет складываться из всех этих маленьких работ на этих участках. Таким образом, мы сможем посчитать работу силы упругости на всей траектории движения груза. На рис. 4 приведены детали такого расчета.

Рис. 4. Зависимость силы упругости от координаты движения

Видно, что если отложить на графике зависимость модуля силы упругости от модуля координаты груза, затем проделать описанное выше разбиение на маленькие участки, то величина работы на каждом маленьком участке численно равна площади фигуры, ограниченной графиком: осью абсцисс и двумя перпендикулярами к этой оси (см. рис. 5).

Рис. 5. Площадь фигуры

Если просуммировать значение работы на каждом участке (площадь маленьких фигур), то получим площадь большой фигуры, показанной на рис. 6.

Рис. 6. Площадь большой фигуры

Поскольку данная фигура является прямоугольной трапецией, то мы можем воспользоваться формулой для расчета площади такой фигуры – это полусумма оснований, умноженная на высоту. В результате преобразований получим такую формулу – работа равна разности между величиной:

К этому результату можно прийти и несколько иным способом. Для вычисления работы силы упругости в этом способе необходимо просто взять среднее значение силы упругости и умножить его на перемещение тела. Это утверждение можно записать как:

,

где среднее значение силы упругости, которое равно полусумме начального и конечного ее значений. Если данное выражение подставить в формулу для работы, то при помощи простых алгебраических преобразований мы получим то же самое выражение, что получали ранее:

Как видно из этой формулы, работа зависит лишь от начальной и конечной координаты центра груза, и еще одно замечание: как видно из последней формулы, работа силы упругости никоим образом не зависит от массы груза. Это обусловлено тем, что и сама сила упругости не зависит от этой массы.

Теперь внимательнее посмотрим на последнюю формулу – если вынести -1 за скобки, то получим, что работа есть взятая со знаком минус разность между значениями некоторой величины, равной половине произведения жесткости пружины на квадрат ее удлинения в конечный и начальный моменты времени.

Вспомним, как мы поступили при расчете работы силы тяжести на прошлом уроке. В тот раз мы столкнулись с новой для нас физической величиной, разность между значениями которой в конечной и начальной моменты времени равнялась взятой со знаком « — » работе силы тяжести. Это величина, равная произведению массы тела на ускорение свободного падения и высоту, на которую было поднято тело над некоторым уровнем, мы назвали потенциальной энергией тела, поднятого над землей.

Вопрос 17

Текст вопроса

c2Fe6A В первой серии опытов по исследованию малых колебаний разных грузиков на нити одинаковой длины использовался алюминиевый грузик, во второй – деревянный такой же массы. Максимальный угол отклонения нити от вертикали в обоих исследованиях одинаковый.

Как при переходе от первой серии опытов ко второй изменятся период колебаний, частота колебаний и максимальная потенциальная энергия грузика, отсчитываемая от положения равновесия?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Период колебаний грузика

Частота колебаний грузика

Максимальная потенциальная энергия грузика

Механическая работа. Мощность

\(A = F \cdot \Delta r \cdot \cos \alpha\) ,

где А – работа (Дж); F – сила (Н); Δr – перемещение тела (м); α – угол между вектором силы и вектором перемещения (рис. 1).

Данную формулу можно применять, если сила постоянна.

Рис. 1

Aтр = -Fтр·Δr ,

где Aтр – работа силы трения (Дж); Fтр – сила трения (Н); Δr – перемещение тела (м).

Работа силы трения отрицательная, т.к. сила трения и относительное перемещение тела направлены в противоположные стороны.

\(~P = \frac{A}{\Delta t}\) ,

где Р – мощность прибора (Вт); А – механическая работа, совершенная данным прибором (Дж); Δt – время, за которое совершена работа (с).

\(~\eta = \frac{A_p}{A_z}\) или \(~\eta = \frac{A_p}{A_z} \cdot 100%\) ,

где η – коэффициент полезного действия (КПД) (%); Аp – полезная работа (Дж); Аz – затраченная работа (Дж).

  • Полезная работа – это работа, которую совершает механизм над телом,
  • затраченная работа – это работа двигателя или энергия (тепловая, электроэнергия и т.п.), которую механизм израсходует (получает).

Графический способ определения механической работы

Пусть задан график зависимости проекции силы Fx от координаты х. Тогда работа при перемещении тела из точки с координатой x1 в точку с координатой x2 численно равна по величине площади фигуры, ограниченной графиком Fx(х), осью и перпендикулярами к x1 и x2 (рис. 2).

Рис. 2

  • При перемещении тела из точки с координатой x2 в точку с координатой x1 площадь фигуры и, следовательно, работу будем считать отрицательной.
  • Если разные участки тела поднимают на разные высоты, то изменение потенциальной энергии можно рассчитать для центра тяжести тела.
  • Центр тяжести стержня находится в середине стержня; прямоугольника – на пересечении диагоналей; шара, обруча – в центре сферы, окружности.

Энергия кинетическая: формула и определение

Иногда значение механической работы можно рассматривать без употребления понятий силы и перемещения, акцентировав внимание на том, что работа характеризует изменение энергии тела. Все, что нам может потребоваться, — это масса некоего тела и его начальная и конечная скорости, что приведет нас к кинетической энергии

Кинетическая энергия (КЭ) — это энергия, принадлежащая телу вследствие собственного движения.

Кинетическую энергию имеет ветер, ее используют для придания движения ветряным двигателям. Движимые массы воздуха оказывают давление на наклонные плоскости крыльев ветряных двигателей и заставляют их оборачиваться. Вращательное движение при помощи систем передач передается механизмам, выполняющим определенную работу. Движимая вода, оборачивающая турбины электростанции, теряет часть своей КЭ, выполняя работу. Летящий высоко в небе самолет, помимо ПЭ, имеет КЭ. Если тело пребывает в состоянии покоя, то есть его скорость относительно Земли равна нулю, то и его КЭ относительно Земли равна нулю. Экспериментально установлено, что чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его КЭ. Формула кинетической энергии поступательного движения в математическом выражении следующая:

Где К — кинетическая энергия, m — масса тела, v — скорость.

Это интересно: Мангал из газового баллона своими руками — чертежи, фото, как сделать

Типы потенциальной энергии

Существуют различные типы потенциальной энергии, каждый из которых связан с определенным типом силы.

Четыре основных типа:

  1. Гравитационная Потенциальная Энергия: энергия в объекте, когда она удерживается вертикально на некоторой высоте.
  2. Упругая потенциальная энергия: энергия, запасенная в объекте, когда он растягивается или сжимается.
  3. Потенциальная электрическая энергия: энергия в объекте за счет его заряда.
  4. Химическая потенциальная энергия: энергия, запасенная в химических связях вещества.

Каждый из них измеряется по-разному. Например, потенциальная энергия гравитации (PE) пропорциональна массе (m) объекта, силе тяжести (g) и высоте (h), на которой удерживается объект.

PE = m. g. h

Чем больше масса объекта и чем выше он удерживается, тем больше будет его потенциальная энергия. Как и все другие формы энергии, потенциальная энергия измеряется в килограммах-метрах в квадрате за секунду в квадрате (кг м2 / С2 ) или Джоуле (Дж).

Чтобы лучше объяснить этот феномен, мы собрали несколько интересных примеров потенциальной энергии, которую вы видите в своей повседневной жизни.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector