Dwie częstości i siły w przeciwnych wychyleniach
Dwa jednakowe ciężarki mają m = 0,500 kg każdy. Zewnętrzne sprężyny mają k = 8,00 N/m, środkowa κ = 2,25 N/m. Ruch jest poziomy, liniowy, bez tłumienia. Oblicz obie częstości kołowe i okresy. Następnie wyznacz siły wypadkowe przy x₁ = +0,0200 m, x₂ = −0,0200 m. Obie osie są skierowane w prawo. Wyjaśnij, dlaczego zastąpienie k przez k + κ daje błędny wynik dla modu antysymetrycznego.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Najpierw policz zmianę długości środkowej sprężyny x₂ − x₁. Wartość każdej siły powinna dać to samo przyspieszenie co −ωₐ²x dla odpowiedniego ciężarka.
Rozwiązanie
1. Częstości i okresy
W modzie symetrycznym sprzężenie nie zmienia długości, więc ωₛ = √(8,00/0,500) = 4,00 rad/s. W antysymetrycznym sztywność efektywna dla każdej masy wynosi k + 2κ = 12,50 N/m, zatem ωₐ = √(12,50/0,500) = 5,00 rad/s.
T_s=\frac{2\pi}{4}=\frac\pi2\approx1{,}571\ \mathrm s,\qquad T_a=\frac{2\pi}{5}\approx1{,}257\ \mathrm s.
Odpowiadają im częstotliwości około 0,637 Hz i 0,796 Hz. Wyniki 4 Hz i 5 Hz pomijałyby czynnik 2π.
2. Siły ze znakiem
Sprężyna sprzęgająca jest skrócona o 0,0400 m: x₂ − x₁ = −0,0400 m. Na pierwszy ciężarek zewnętrzna sprężyna działa siłą −0,160 N, a środkowa −0,0900 N. Suma F₁ = −0,250 N jest skierowana w lewo. Na drugi działają przeciwne siły: F₂ = +0,250 N.
Przyspieszenia wynoszą a₁ = −0,500 m/s² i a₂ = +0,500 m/s². Kontrola: −ωₐ²x₁ = −25 · 0,0200 = −0,500 m/s².
3. Skąd błąd w k + κ?
W tym ruchu oba końce środkowej sprężyny zmieniają położenie. Jej odkształcenie jest dwukrotnie większe od wychylenia jednego ciężarka. Użycie k + κ oznaczałoby traktowanie drugiego końca jako nieruchomego. Jest to inny warunek ruchu, sprzeczny z x₂ = −x₁.
Powiązana teoria
Dwa sprzężone oscylatory: dlaczego mają dwa mody normalne?
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto