Гармонические колебания пружинного маятника

Рассмотрим систему, которая состоит из:

• упругой спиральной пружины,
• очень небольшого тела массы $m$.

Один конец пружины закреплен, к другому концу прикреплено тело $m$ рис.1.

Рисунок 1. Пружинный маятник. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Длина пружины без деформации равна $l_0$. При растяжении или сжатии этой пружины до длины $l$ возникает сила упругости ($\vec F$), которая хочет вернуть пружине первоначальную длину. Если изменения длины пружины мало и равно:

$\Delta y=l-l_0(1),$

то выполняется закон Гука, в соответствии с которым сила упругости прямо пропорциональна изменению длины пружины:

$F=-k\Delta y (2),$

где $k$ - коэффициент упругости пружины.

Уравнение колебаний пружинного маятника

В таком случае уравнение движения тела, которое присоединено к концу пружины можно записать так:

$m\ddot{y}=-ky(3).$

Введем обозначение:

$m\omega^2=k$, тогда дифференциальное уравнение (3) можно переписать в виде:

$\ddot{y}+\omega^2y=0(4).$

Функция вида:

$y=y_m\cos (\omega t+\delta) (5),$

где $y_m$ - амплитуда колебаний (максимальное смещение груза от положения равновесия), является решением уравнения (4) при любых постоянных значениях $y_m$ и $\delta$.

Частота и период колебаний пружинного маятника

Груз на пружине выполняет гармонические колебания:

• круговая (циклическая) частота которых равна:

  $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}(6)$

• период колебаний составляет:

  $T=\frac{2\pi}{\omega}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}(7).$

• частота колебаний его:

  $\nu=\frac{1}{T}=\frac {\omega}{2\pi}=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}(8).$

Мы видим в (7), что период колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды. Данное свойство колебаний называют изохронностью. Колебания пружинного маятника являются изохронными, пока выполняется закон Гука. Если растяжения становятся большими, то закон Гука будет нарушаться, тогда возникает зависимость периода колебаний от амплитуды.

Амплитуда и начальная фаза колебаний пружинного маятника

Амплитуду колебаний ($y_m$) и начальную фазу ($\delta$) невозможно определить из дифференциального уравнения (4). Данные неизменные параметры колебаний определяют исходя из начальных условий колебаний. Например, задают:

• смещение $y$ в момент времени принимаемы за $t=0$;
• и начальную скорость ($\dot{x}$) в этот же момент времени.

Энергия колебаний пружинного маятника

Потенциальная энергия тела, подвешенного на пружине, задается выражением:

$U=\frac{1}{2}ky^2 (9).$

Принимая во внимание гармонический закон изменения $y$ (5), получим, что потенциальная энергия изменяется во времени:

$U(t)=\frac{k y_m^2 }{2} \cos^2 (\omega t+\delta)=\frac{1}{4}k y_m^2(1+\cos 2(\omega t+\delta)) (10).$

Кинетическую энергию определяют как:

$E_k=\frac{mv^2}{2}(11).$

Скорость движения тела на пружине вдоль оси $Y$ найдем как первую производную от $y(t)$ по времени:

$v=v_y=\dot{y}=-y_m\omega\sin (\omega t+\delta)(12).$

Закон изменения кинетической энергии в зависимости от времени с учетом (12) запишем как:

$E_k=m y_m^2\omega^2\sin^2 (\omega t+\delta) (13),$

где учитывая формулу (6), окончательно получим:

$E_k=k y_m^2\sin^2 (\omega t+\delta)=\frac{1}{4}k y_m^2(1-\cos 2(\omega t+\delta)) (14).$

Формулы (10) и (14) показывают, что кинетическая и потенциальная энергии колеблющегося пружинного маятника изменяются во времени. Они сами выполняют гармонические колебания около средней величины, равной $\frac{1}{4} k y_m^2$ с удвоенной циклической частотой $2\omega$.

В тот момент времени, когда кинетическая энергия максимальна, потенциальная энергия равна нулю и наоборот. При этом полная механическая энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергии не изменяется:

$E=\frac{1}{2}kx^2+\frac{1}{2}m\dot{x}=const (15)$

При этом полная энергия колебаний пружинного маятника, если учесть выражения (10) и (14), равна:

$E=U+E_k=\frac{1}{2}k y_m^2 (16).$

Выражение (5) является решением дифференциального уравнения (15), если круговая частота колебаний определятся при помощи выражения (6), амплитуда – формулой (16). Так, если задана полная механическая энергия $E$, то амплитуда колебаний ($y_m$) не является произвольной величиной. При этом произвол имеется только в определении начальной фазы колебаний $\delta$, которую определяют начальные условия. Чтобы определить $\delta$ достаточно одного начального условия:

• либо нужно иметь начальное смещение;
• либо начальную скорость.

Наличие в решении единственной произвольной константы связывают с тем, что уравнение (15) является дифференциальным уравнением первого порядка по времени.

Заметим, что энергию в уравнении (15) можно рассматривать как параметр, принимающий любые значения большие нуля, которые определяют начальные условия колебаний. В этом случае уравнение (15) считают эквивалентным уравнению (4).

На основе закона сохранения энергии (15) сделаем следующие выводы:

1. Наибольшая кинетическая энергия пружинного маятника равна его наибольшей энергии потенциальной энергии.

   Данный вывод очевиден, так как потенциальная энергия маячтника максимальна при смещении точки выполняющей колебания на максимально возможное расстояние, при этом скорость, а соответственно и кинетическая энергия осциллятора равна нулю.

   Наибольшую кинетическую энергию колебательная система имеет тогда, когда она проходит положение равновесия ($x=0$), то есть потенциальная энергия равна нулю.

   $\frac{mV^2}{2}=\frac{m\omega^2y_m^2}{2}(17),$

   где $V$ - максимальная скорость.

2. Средняя кинетическая энергия пружинного маятника ($E_{k,sr}$) равна его средней потенциальной энергии ($U_{sr}$).

   $U_{sr}=\frac{m\omega^2y_m^2}{4}(18),$

   $E_{k,sr}=\frac{m\omega^2y_m^2}{4}(19)$.

   Сравнивая (18) и (19) мы видим, что:

   $U_{sr}= E_{k,sr}=\frac {1}{2}E$.