KAEDRA FIZYKI SOSOWANEJ PRACOWNIA 5 FIZYKI Ćw. 5. Badanie ruchu wahadła sprężynowego sprawdzenie wzoru na ores drgań Wprowadzenie Ruch drgający naeży do najbardziej rozpowszechnionych ruchów w przyrodzie. Szczegóny przypadie ruchu drgającego jest ruch haroniczny, tóry odbywa się pod wpływe siły F iniowo zaeżnej od wychyenia woół pewnego puntu położenia F-, gdzie jest współczynniie proporcjonaności. Siła ta a tę własność, że zienia swój ierune na przeciwny przy zianie znau wartości wychyenia. Przyłade taiej siły jest siła sprężystości pochodząca od sprężyny, ja poazano na rysunu. W przedstawiony przyładzie współczynni jest współczynniie sprężystości sprężyny. Rys.. Wahadło sprężynowe pozioe. Ruch ui o asie, zgodnie z II prawe Newtona jest opisany równanie: r r r a F S + F W ()
gdzie a r jest przyspieszenie, a F r wetore siły działającej na asę pochodzący od S sprężyny. F r W jest suą sił pochodzących z innych źródeł niż sprężyna. W naszy przypadu, przedstawiony na rys., ruch odbywa się wzdłuż inii prostej, tórą ożey oznaczyć jao oś X, z początie w położeniu równowagi asy (od ściani w odegłości równej długości swobodnej sprężyny ). Gdy poiniey tarcie, jedyną siłą działającą wzdłuż osi X jest siła pochodząca od sprężyny. Siły działające na asę w innych ierunach niż w ierunu osi X równoważą się w naszy uładzie. Wobec tego siła oże być przedstawiona jao F S (, a równanie przyjuje postać: Po prostych przeształceniach i podstawieniu d (. () ω, (3) gdzie ω jest częstością własną uładu, otrzyujey następujące równanie opisujące drgania haroniczne nie tłuione: d + ω ( (4) Jest to równanie różniczowe jednorodne drugiego stopnia. Rozwiązanie tego równania jest zaeżność funcjna położenia asy od czasu w postaci: o oresie π ω. Ponieważ ω / ( sin( ω t + ϕ) (5), ożey otrzyać wyrażenie na ores wahadła sprężynowego: π. (6) Reaizacja w pratyce pozioego wahadła sprężynowego, tóre wyonuje drgania nietłuione jest pratycznie niereane ze wzgędu na istnienie sił tarcia o podłoże. Gdy asę zawiesiy na sprężynie wówczas otrzyay wahadło pionowe, co pozwaa na wyeiinowanie sił tarcia, ae pojawi się stała siła (ciężości Q r ) działająca na ciało podczas ruchu. Równanie ruchu da taiego uładu przyjuje postać: r r r a F + Q. (7) Ponieważ ruch odbywa się wzdłuż inii prostej ożey napisać: Po prostych przeształceniach oraz po podstawieniu: otrzyay równanie: S d ( + g. (8) ω, (9) d + ω ( g. ()
Rozwiązanie taiego równania jest następująca funcja: ( ω t + ϕ + () sin( ) gdzie jest stałą, tórą wyznaczay z warunu równowagi sprężyny, gdy obiet spoczywa. W taiej sytuacji apituda drgań jest zero i (, gdzie jest wydłużenie sprężyny w stanie równowagi. Wówczas siła ciężości jest zrównoważona przez siłę sprężystości sprężyny, co oznacza, że: sąd g () g. (3) Wyrażenie powyższe pozwaa również na doświadczane wyznaczenie stałej, jeśi znay asę obietu zawieszonego na sprężynie i wydłużenie, tóre ten obiet spowodował. Ostatecznie, ożey stwierdzić, że częstość drgań wahadła sprężynowego pionowego będzie taa saa ja da wahadła pozioego, tyo punt równowagi tego ruchu jest przesunięty. Q Rys.. Wahadło sprężynowe pionowe. W przypadu gdy sprężyna posiada asę, to wono ją poinąć w sytuacji znacznie niejszej asy sprężyny w stosunu do asy zawieszonego ciężara. W innych przypadach naeży asę sprężyny uwzgędnić. Dowony fragent sprężyny o długości a asę: s, (4) gdzie s jest asą całej sprężyny, jest długością swobodną sprężyny. Jeśi wychyenie ońcowego eeentu sprężyny jest równe (tye sao co ciężara zawieszonego), to wychyenie eeentu sprężyny w odegłości od puntu zaczepienia jest równe (/ ). Natoiast prędość tego eeentu jest równa (/ )d/. Stąd energia inetyczna fragentu sprężyny jest równa: E, s v s d Całowita energia inetyczna sprężyny jest wobec tego równa: 3 s 3 d. (5)
s d s d 3 d, s 3 3 d s 3 6 E. (6) A energia inetyczna uładu (sprężyna i ciężare) będzie wówczas równa: d d, s + s ( + s ) d E. (7) 6 3 Energia inetyczna tego uładu jest równoważna energii uładu ze sprężyną nieważą, da tórego asa ciężara została powięszona o /3 asy sprężyny. Stąd ożey napisać, że ores drgań taiego uładu jest równy: + s π 3. (8) etoda poiaru Aby sprawdzić prawdziwość wyrażenia na ores drgań wahadła sprężynowego doonay bezpośredniego poiaru oresu drgań oraz wyznaczyy ores drgań z paraetrów uładu. Jeśi współczynni sprężystości sprężyny jest nie znany, wpierw usiy go wyznaczyć. W ty ceu na sprężynie zawieszay pręt do ocowania obciążniów. Następnie zwięszay obciążenie sprężyny i ierzyy wydłużenie sprężyny pod wpływe danego obciążenia. Współczynni sprężystości jest równy stosunowi ciężaru obciążającego sprężynę do wartości wydłużenia spowodowanego ty obciążenie, tzn. g. Znając współczynni sprężystości, asy obciążniów, asę pręta oraz asę sprężyny ożey wyznaczyć w sposób bezpośredni ores drgań ze wzoru: p i + p + s i 3 π (9) gdzie i jest suą as obciążniów uwzgędniony w dany przypadu. Natoiast i doświadczany ores drgań wyznaczay ierząc czas wieu pełnych drgań, żeby doładność jego poiaru była duża. Wyonanie ćwiczenia. Ważyy na wadze szaowej eeenty naszego uładu drgającego, wyznaczając asy: sprężyny s, pręta do ocowania obciążniów p, oraz obciążnii i.. Zawieszay na sprężynie pręt do ocowania odważniów. 3. Następnie oejno dodajey obciążnii (,, 3,...) i ierzyy wydłużenie sprężyny pod wpływe całowitego ciężaru zawieszonego na sprężynie. Otrzyane wartości wpisujey do tabei: Lp. [g] [].. 3... 4
Wszystie poiary powinny być zapisywane bez obróbi i przed zapisanie odczytanej wartości nie naeży przeprowadzać w paięci żadnych, nawet trywianych obiczeń. 4. Wartość stałej sprężystości obiczay da ażdego poiaru ze wzoru: g a następnie obiczay wartość średnią z tych poiarów. 5. Po wyznaczeniu współczynnia sprężystości sprężyny, da poszczegónych obciążeń wyznaczay ores drgań ze wzoru: i + p + s i 3 t π gdzie suowanie jest po nuerach obciążniów. 6. Doświadczany ores drgań ( d ) da poszczegónych zestawów obciążniów wyznaczay ierząc czas t dużej iczby n (in. 5) pełnych drgań uładu. Wynii poiarów wpisujey do tabei. Lp. [g] t [s].. 3... 7. Doświadczany ores drgań wyznaczay jao ioraz czasu i iczby pełnych drgań. 8. Niepewność poiaru współczynnia sprężystości sprężyny oraz różnicy oresów teoretycznego i doświadczanego szacujey tzw. etodą różniczową. 9. Zestawiay wartości i ± oraz oceniay zgodność poiarów i. t ± t d d Zagadnienia do oowiu:. Wahadło sprężynowe, puntowe, fizyczne.. Drgania haroniczne nietłuione, tłuione i wyuszone. 3. Energia w ruchu haroniczny. t d Literatura:. D. Haiday, R. Resnic, J. Waer, Podstawy fizyi, Wydawnictwo Nauowe PWN, Warszawa 3. o.. A. K. Wróbewsi, J. A. Zarzewsi, Wstęp do fizyi, Wydawnictwo Nauowe PWN, Warszawa 99. 3. C. Kitte, W.D. Knight,.A. Ruderan, echania, PWN, Warszawa 975. 4. J. ayor, Wstęp do anaizy błędu poiarowego, Wydawnictwo Nauowe PWN, 999. 5. G.L.Squires, Pratyczna Fizya, Wydawnictwo Nauowe PWN, Warszawa 99. 6. H. Szydłowsi, Pracownia fizyczna wspoagana oputere, Wydawnictwo Nauowe PWN, Warszawa 3. 5