- •Основные законы механики в примерах и задачах методические указания
- •Предисловие
- •1. Кинематика точки и твердого тела
- •2. Динамика материальной точки и твердого тела
- •3. Упругие деформации тел
- •4. Механические колебания и упругие волны
- •5. Релятивистская механика
- •5. Сборник задач по общему курсу физики ( механике) [Текст] / под ред. И.А. Яковлева. – м. : Наука., физ. – мат. Лит., 1977. – 288 с.
- •Основные законы механики в примерах и задачах методические указания
- •6. Механика жидкости
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4. Механические колебания и упругие волны
4.1. Найти частоту малых колебаний системы, показанной на рисунке (ниже). Известны радиус блока , его момент инерции относительно оси вращения, масса тела и жесткость пружины . Массы нити и пружины пренебрежимо малы, нить по блоку не скользит, трения в оси блока нет.
Решение.
Уравнения
движения тела m
и блока(Рис.1):
(1),
(2).
Здесь
cилы
натяжения нитей по обеим сторонам блока,
причем
,
где х-деформация пружины. Кинематические
соотношения:
(3).
Подставляя (3) в (2) и исключая
с помощью (1), получим:
Отсюда частота колебаний системы
4
.2.
Однородный
стержень массы
= 1,5 кг, висящий на двух одинаковых нитях
длины
= 90 см (см. рис. ниже), повернули на малый
угол вокруг вертикальной оси, проходящей
через его середину C.
При этом нити отклонились на угол
= 5,0°. Затем стержень отпустили, и он
начал совершать малые колебания. Найти:
а) период колебаний;
б) энергию колебаний стержня.
Решение. Период и полную энергию крутильных колебаний системы, показанной на рисунке, определим на основе энергетических соображений.
Согласно
начальным данным, уравнение крутильных
колебаний системы имеет вид
,
где
-
частота колебаний,
- максимальный угол поворота стержня
относительно оси ОО.
Между
углом отклонения
нитей от вертикальных положений и угол
поворота
стержня имеется определенная связь,
которую приближенно можно определить
равенством
,
где
- длинна стержня. Получая , что
является максимальным значением угла
отклонения нити, угловая амплитуда
колебаний стержня
и, следовательно, уравнение колебаний
будет иметь вид
.
При этом угловая скорость поворота
стержня относительно оси ОО
.
Максимальная
угловая скорость стержня при прохождении
им положения равновесия (низкого уровня)
равна
.
При отклонении нитей на угол
потенциальная энергия стержня
увеличивается на
.
При
малых колебаниях
.
В
последующем, когда стержень будет
проходить нижнее положение, потенциальная
энергия
полностью перейдет в кинетическую
энергию
.
Итак имеем равенство
Отсюда получаем частоту и период
колебаний:
,
.
При
этом полная механическая энергия
колеблющегося стержня
.
4.3.
Два
шара с массами
= 1,0 кг и
= 2,0 кг насажены на тонкий гладкий
горизонтальный стержень (рис.). Шары
связаны между собой легкой пружинкой
с жесткостью
= 24 Н/м, Левому шару сообщили начальную
скорость
= 12 см/с. Найти:
а
)
частоту колебаний системы в процессе
движения;
б) энергию и амплитуду колебаний.
Решение.
Шары
будут совершать колебания относительно
их центра масс (между прочим, подвижного)
с частотой
,
где
.
Для
=1,0
кг,
=2,0
кг, к=24 Н/М
=6
1/c.
Энергия колебаний равна собственной
энергии колеблющихся шаров в Ц-системе,
т.е.
мДж.
Амплитуду колебаний найдем из условия
:
см.
4.4.
Однородный
стержень длины
совершает малые колебания вокруг
горизонтальной оси
,
перпендикулярной к стержню и проходящей
через одну из его точек. Найти расстояние
между центром инерции стержня и осью
’,
при котором период колебаний будет
наименьшим.
Решение.
Обозначим
расстояние между центром стержня
(центром масс) и осью ОО’ через x.
Если
период маятника при некотором значении
х
наименьший,
то соответствующая частота колебаний
максимальна. Для физического маятника
.
Здесь
.
Тогда
.
В точке экстремального значения
(или
)
производная
.
Отсюда имеем
Как видно, знак первой производной от
по х
при
переходе через точку
изменяется с плюса на минус. Следовательно,
.
4.5.
Частицу
сместили из положения равновесия на
расстояние
= 1,0 см и предоставили самой себе. Какой
путь пройдет, колеблясь, эта частица до
полной остановки, если логарифмический
декремент затухания
= 0,020?
Решение.
Согласно
данным задачи частица совершает колебания
по закону
,
где
.
При известном декременте затухания
требуется найти путь, пройденный частицей
до полной ее остановки.
Представим
амплитуду колебаний
в виде
и образуем последовательность ее
значений через каждый полупериод
колебаний частицы:
|
(1) |
Нечетные члены последовательности соответствуют положительным смещениям частицы, четные — отрицательным. Поэтому путь, проходимый частицей за п-й полупериод будет равен:
|
(2) |
Последовательность
представляет собой бесконечную убывающую
геометрическую прогрессию, первый член
которой
,
а знаменатель
.
Полный путь частицы равен сумме членов
этой прогрессии:
.
По условию задачи
.
