Как найти длину нити в математическом маятнике

Расчет длины маятника

Маятник — это тело или система тел, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания.

Формула расчета длины маятника:

L = (T / 2π) 2 * g, где

L — длина маятника в метрах;
T — период колебаний в секундах;
g — ускорение свободного падения в м/с 2 .

Быстро выполнить эту математическую операцию можно с помощью нашей онлайн программы. Для этого необходимо в соответствующее поле ввести исходное значение и нажать кнопку.

На этой странице представлен самый простой онлайн калькулятор расчета длины маятника по простой математической формуле в зависимости от периода колебаний и ускорения свободного падения. С помощью этой программы вы в один клик сможете рассчитать длину маятника.

Расчет длины нити математического маятника

Период колебания математического маятника (в секундах) приближенно можно вычислить по формуле , где — длина нити (в метрах). Пользуясь этой формулой, найдите длину нити маятника (в метрах), период колебаний которого составляет секунды.

Решение задачи

В данном уроке показано, как грамотно рассчитать длину нити математического маятника. По условию задана формула , с помощью которой приблизительно вычисляются колебания маятника. — это период колебания маятника, который известен по условию задачи ( секунды), а – это длина нити маятника, которую и необходимо рассчитать. Для решения задачи достаточно преобразовать формулу (представленную в виде алгебраического выражение) и подставить в нее известные данные. Для этого из формулы выражается переменная , в процессе этого выполняются операции упрощения выражения. Далее, для получения окончательного ответа, вместо переменной подставляется его числовое значение. Ответ представлен в виде десятичной дроби

При подготовке к ОГЭ можно успешно воспользоваться решением этой задачи, в частности при решении задач типа ОГЭ 20.

Как найти длину нити

Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела. В положении равновесия, когда маятник висит по отвесу, сила тяжести уравновешивается силой натяжения нити При отклонении маятника из положения равновесия на некоторый угол появляется касательная составляющая силы тяжести (рис. 2.3.1). Знак «минус» в этой формуле означает, что касательная составляющая направлена в сторону, противоположную отклонению маятника.

Если обозначить через линейное смещение маятника от положения равновесия по дуге окружности радиуса , то его угловое смещение будет равно . Второй закон Ньютона, записанный для проекций векторов ускорения и силы на направление касательной, дает:

Это соотношение показывает, что математический маятник представляет собой сложную нелинейную систему, так как сила, стремящаяся вернуть маятник в положение равновесия, пропорциональна не смещению , а

Только в случае малых колебаний , когда приближенно можно заменить на математический маятник является гармоническим осциллятором , т. е. системой, способной совершать гармонические колебания. Практически такое приближение справедливо для углов порядка ; при этом величина отличается от не более чем на . Колебания маятника при больших амплитудах не являются гармоническими.

Для малых колебаний математического маятника второй закон Ньютона записывается в виде

Таким образом, тангенциальное ускорение маятника пропорционально его смещению , взятому с обратным знаком. Это как раз то условие, при котором система является гармоническим осциллятором. По общему правилу для всех систем, способных совершать свободные гармонические колебания, модуль коэффициента пропорциональности между ускорением и смещением из положения равновесия равен квадрату круговой частоты:

Эта формула выражает собственную частоту малых колебаний математического маятника .

Любое тело, насаженное на горизонтальную ось вращения, способно совершать в поле тяготения свободные колебания и, следовательно, также является маятником. Такой маятник принято называть физическим (рис. 2.3.2). Он отличается от математического только распределением масс. В положении устойчивого равновесия центр масс физического маятника находится ниже оси вращения на вертикали, проходящей через ось. При отклонении маятника на угол возникает момент силы тяжести, стремящийся возвратить маятник в положение равновесия:

Здесь – расстояние между осью вращения и центром масс .

Здесь – собственная частота малых колебаний физического маятника .

Более строгий вывод формул для и можно сделать, если принять во внимание математическую связь между угловым ускорением и угловым смещением: угловое ускорение есть вторая производная углового смещения по времени:

Поэтому уравнение, выражающее второй закон Ньютона для физического маятника, можно записать в виде

Это уравнение свободных гармонических колебаний (см. уравнение (*) §2.2). Коэффициент в этом уравнении имеет смысл квадрата круговой частоты свободных гармонических колебаний физического маятника.

По теореме о параллельном переносе оси вращения (теорема Штейнера) момент инерции можно выразить через момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс маятника и параллельной оси вращения:

Окончательно для круговой частоты свободных колебаний физического маятника получается выражение:

автор вопроса выбрал этот ответ лучшим

Математическим
маятником называют материальную точку,
закрепленную на невесомой и нерастяжимой
нити, совершающую свободные гармонические
колебания в вертикальной плоскости.

Математический
маятник имеет одну степень свободы –
еще один пример одномерного гармонического
осциллятора. На математический маятник
действуют две силы: сила тяжести
и сила натяжения нити(рис. 2.4)

Результирующая
этих сил (перпендикулярная составляющая
силы тяжести) и является той силой, под
действием которой маятник совершает
свободные гармонические колебания.

При
этом угол 
= 3 – 5^о
(рис. 2.4). Математический маятник при
колебаниях описывает часть дуги
окружности радиуса R
,
где–
длина нити.

Рис. 2.4

Для
вывода дифференциального уравнения
колебания математического маятника
воспользуемся дифференциальным
уравнением колебания физического
маятника [см. (2.15)], где момент инерции I
физического маятника заменим на момент
инерции материальной точки I=mR²,
где m – масса м. т. математического
маятника; R =

–
расстояние от м. т. до полюса 0.

После
подстановки получим дифференциальное
уравнение колебания математического
маятника в виде

(2.19)

Решением
данного уравнения является функция
вида


=
₀сos
(₀t
+ _o).
(2.20)

Сравнив
уравнения (2.16) и (2.19), найдем собственную
круговую частоту ₀
и период Т колебания математического
маятника:

.
(2.21)

Тогда

.
(2.22)

Период
колебания математического маятника
прямо пропорционален квадратному корню
длины маятника и обратно пропорционален
квадратному корню ускорения силы
тяжести.

2.5. Приведенная длина физического маятника

Анализ
формул периода колебания физического
и математического маятников показывает,
что можно найти приведенную длину
физического маятника (рис. 2.3), если
приравнять их периоды Т_физ
= Т_матем,
т. е.

.

Тогда приведенная
длина физического маятника

(2.23)

Приведенной
длиной физического маятника называют
длину такого математического маятника,
когда периоды их колебаний совпадают.

На
рис. 2.3 расстояние между точками 0 и 0^*
и есть приведенная длина

физического
маятника. Сами точки 0 и 0^*
взаимозаменяемы, т. е. при замене точки
0 на 0^*
и обратно период колебаний физического
маятника сохраняется неизменным.

2.6. Энергия гармонических механических колебаний

При
гармонических колебаниях любых
физических систем непрерывно и
периодически происходит превращение
кинетической энергии в потенциальную
и обратно.

Например,
при колебаниях физического или
математического маятников в крайних
положениях потенциальная энергия
максимальна, а при прохождении положения
равновесия максимальна кинетическая
энергия.

Найдем
математические выражения для кинетической,
потенциальной и полной механической
энергий физических систем, совершающих
гармонические колебания.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 февраля 2023 года; проверки требует 1 правка.

Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки на конце невесомой нерастяжимой нити или лёгкого стержня и находящуюся в однородном поле сил тяготения^[1]. Другой конец нити (стержня) обычно неподвижен. Период малых собственных колебаний маятника длины L, подвешенного в поле тяжести, равен

и не зависит, в первом приближении, от амплитуды колебаний и массы маятника. Здесь g — ускорение свободного падения.

Математический маятник служит простейшей моделью физического тела, совершающего колебания: она не учитывает распределение массы. Однако реальный физический маятник при малых амплитудах колеблется так же, как математический с приведённой длиной.

Характер движения маятника[править | править код]

Математический маятник со стержнем способен колебаться только в какой-то одной плоскости (вдоль какого-то выделенного горизонтального направления) и, следовательно, является системой с одной степенью свободы. Если же стержень заменить на нерастяжимую нить, получится система с двумя степенями свободы (так как становятся возможными колебания по двум горизонтальным координатам).

При колебаниях в одной плоскости маятник движется по дуге окружности радиуса , а при наличии двух степеней свободы может описывать кривые на сфере того же радиуса^[1]. Нередко, в том числе в случае нити, ограничиваются анализом плоского движения; оно и рассматривается далее.

Уравнение колебаний маятника[править | править код]

Если в записи второго закона Ньютона для математического маятника выделить тангенциальную составляющую (, получится выражение

,

так как , а из действующих на точку сил тяжести и натяжения ненулевую компоненту даёт только первая. Следовательно, колебания маятника описываются обыкновенным дифференциальным уравнением (ДУ) вида

,

где неизвестная функция ― это угол отклонения маятника в момент от нижнего положения равновесия, выраженный в радианах, ― длина подвеса, ― ускорение свободного падения. Предполагается, что потерь энергии в системе нет. В области малых углов это уравнение превращается в

.

Для решения ДУ второго порядка, то есть для определения закона движения маятника, необходимо задать два начальных условия — угол и его производную при .

Решения уравнения движения[править | править код]

Возможные типы решений[править | править код]

В общем случае решение ДУ с начальными условиями для маятника может быть получено численно. Варианты движения (в случае, если маятник — это материальная точка на лёгком стержне), качественно, представлены на анимации. В каждом окне вверху показана зависимость угловой скорости от угла . По мере нарастания размаха поведение маятника всё сильнее отклоняется от режима гармонических колебаний.

• 

  Маятник висит

• 

  Малые колебания (размах 45°)

• 

  Колебания с размахом 90°

• 

  Колебания с размахом 135°

• 

  Колебания с размахом 170°

• 

  Фиксация в верхнем положении

• 

  Движение близкое к сепаратрисе

• 

  Вращение маятника

Гармонические колебания[править | править код]

Уравнение малых колебаний маятника около нижнего положения равновесия, когда уместна замена , называется гармоническим уравнением:

,

где ― положительная константа, определяемая только из параметров маятника и имеющая смысл собственной частоты колебаний. Кроме того, может быть осуществлён переход к переменной «горизонтальная координата» (ось лежит в плоскости качания и ортогональна нити в нижней точке):

.

Малые колебания маятника являются гармоническими. Это означает, что смещение маятника от положения равновесия изменяется во времени по синусоидальному закону^[2]:

,

где  — амплитуда колебаний маятника,  — начальная фаза колебаний.

Если пользоваться переменной , то при необходимо задать координату и скорость , что позволит найти две независимые константы , из соотношений и .

Случай нелинейных колебаний[править | править код]

Для маятника, совершающего колебания с большой амплитудой, закон движения более сложен:

где  — это синус Якоби. Для он является периодической функцией, при малых совпадает с обычным тригонометрическим синусом.

Параметр определяется выражением

.

Период колебаний нелинейного маятника составляет

,

где K — эллиптический интеграл первого рода.

Для вычислений практически удобно разлагать эллиптический интеграл в ряд:

где  — период малых колебаний,  — максимальный угол отклонения маятника от вертикали.

При углах до 1 радиана (≈ 60°) с приемлемой точностью (ошибка менее 1 %) можно ограничиться первым приближением:

.

Точная формула периода, с квадратичной сходимостью для любого угла максимального отклонения, обсуждается на страницах сентябрьского выпуска журнала «Заметки американского математического общества» 2012 года^[3]:

,

где  — арифметико-геометрическое среднее чисел 1 и .

Движение по сепаратрисе[править | править код]

Движение маятника по сепаратрисе является непериодическим. В бесконечно далёкий момент времени он начинает падать из крайнего верхнего положения в какую-то сторону с нулевой скоростью, постепенно набирает её, а затем останавливается, возвратившись в исходное положение.

Факты[править | править код]

Несмотря на свою простоту, математический маятник связан с рядом интересных явлений.

• Если амплитуда колебания маятника близка к , то есть движение маятника на фазовой плоскости близко к сепаратрисе, то под действием малой периодической вынуждающей силы система демонстрирует хаотическое поведение. Это одна из простейших механических систем, в которой хаос возникает под действием периодического возмущения^[4].
• Если точка подвеса не неподвижна, а совершает колебания, то у маятника может появиться новое положение равновесия. Если точка подвеса достаточно быстро колеблется вверх-вниз, то маятник приобретает устойчивое положение «вверх тормашками». Такая система называется маятником Капицы.
• В условиях вращения Земли при достаточно длинной нити подвеса плоскость, в которой маятник совершает колебания, будет медленно поворачиваться относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли (маятник Фуко).

См. также[править | править код]

• Физический маятник
• Маятник Фуко
• Маятник Дубошинского

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

• Коллекция Java-апплетов, моделирующая поведение математических маятников, в частности маятника Капицы.
• Java-апплет, моделирующий колебание математического маятника при наличии вязкого трения с черчением фазовой траектории.
• Учебный фильм «Математический и физический маятник», производство СССР

Формулы математического маятника в физике

Формулы математического маятника

Определение и формулы математического маятника

Обычно математический маятник представляют как шарик, подвешенный на длинной невесомой и нерастяжимой нити. Это идеализированная система, совершающая гармонические колебания под действием силы тяжести. Хорошим приближением к математическому маятнику массивный маленький шарик, осуществляющий колебания на тонкой длинной нити.

Галилей первым изучал свойства математического маятника, рассматривая качание паникадила на длинной цепи. Он получил, что период колебаний математического маятника не зависит от амплитуды. Если при запуске мятника отклонять его на разные малые углы, то его колебания будут происходить с одним периодом, но разными амплитудами. Это свойство получило название изохронизма.

Уравнение движения математического маятника

Математический маятник – классический пример гармонического осциллятора. Он совершает гармонические колебания, которые описываются дифференциальным уравнением:

[ddot{varphi }+{omega }^2_0varphi =0 left(1right),]

где $varphi $ – угол отклонения нити (подвеса) от положения равновесия.

Решением уравнения (1) является функция $varphi (t):$

[varphi (t)={varphi }_0{cos left({omega }_0t+alpha right)left(2right), }]

где $alpha $ – начальная фаза колебаний; ${varphi }_0$ – амплитуда колебаний; ${omega }_0$ – циклическая частота.

Колебания гармонического осциллятора – это важный пример периодического движения. Осциллятор служит моделью во многих задачах классической и квантовой механики.

Циклическая частота и период колебаний математического маятника

Циклическая частота математического маятника зависит только от длины его подвеса:

[ {omega }_0=sqrt{frac{g}{l}}left(3right).]

Период колебаний математического маятника ($T$) в этом случае равен:

[T=frac{2pi }{{omega }_0}=2pi sqrt{frac{l}{g}}left(4right).]

Выражение (4) показывает, что период математического маятника зависит только от длины его подвеса (расстояния от точки подвеса до центра тяжести груза) и ускорения свободного падения.

Уравнение энергии для математического маятника

При рассмотрении колебаний механических систем с одной степенью свободы часто берут в качестве исходного не уравнения движения Ньютона, а уравнение энергии. Так как его проще составлять, и оно является уравнением первого порядка по времени. Предположим, что трение в системе отсутствует. Закон сохранения энергии для совершающего свободные колебания математического маятника (колебания малые) запишем как:

[E=E_k+E_p=frac{mv^2}{2}+mgh=frac{mv^2}{2}+frac{mgx^2}{2l}=constleft(5right),]

где $E_k$ – кинетическая энергия маятника; $E_p$ – потенциальная энергия маятника; $v$ – скорость движения маятника; $x$ – линейное смещение груза маятника от положения равновесия по дуге окружности радиуса $l$, при этом угол – смещение связан с $x$ как:

[varphi =frac{x}{l}left(6right).]

Максимальное значение потенциальной энергии математического маятника равно:

[E_{pmax}=mgh_m=frac{mg{x^2}_m}{2l}left(7right);;]

Максимальная величина кинетической энергии:

[E_{kmax}=frac{mv^2_m}{2}=frac{m{omega }^2_0{x^2}_m}{2l}=E_{pmax}left(8right),]

где $h_m$ – максимальная высота подъема маятника; $x_m$- максимальное отклонение маятника от положения равновесия; $v_m={omega }_0x_m$ – максимальная скорость.

Примеры задач с решением

Читать дальше: формулы пружинного маятника.