v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Wahadła fizyczne, wybór osi i pomiary bezwładności · 1 min czytania

Gdzie zrobić otwór, żeby pręt wahał się najszybciej?

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Jednorodny cienki pręt długości 0,90 m można zawiesić na dowolnej osi prostopadłej do pręta i przechodzącej przez jego wnętrze. Wyznacz odległość osi dającej najkrótszy okres od środka masy oraz od bliższego końca. Oblicz ten okres dla g = 9,81 m/s². Uzasadnij, że otrzymane położenie rzeczywiście jest dostępne. Przyjmij IC = mL²/12 i pomijalny wpływ wykonania otworu na rozkład masy.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Minimum przypada przy h = √(IC/m). To odległość od środka masy; do wskazania miejsca na pręcie trzeba jeszcze odjąć ją od L/2.

Rozwiązanie

1. Parametr określający kształt

W jednorodnym pręcie k^2=I_C/m=L^2/12. Masa skraca się, ponieważ zmiana gęstości całego pręta w takim samym stosunku nie zmienia zależności okresu od osi. Stąd:

h_{\min}=k=\frac{0{,}90}{\sqrt{12}}\approx0{,}2598\ \mathrm m.

2. Miejsce na rzeczywistym pręcie

Środek jest 0,45 m od końca, więc otwór powinien znajdować się d=0{,}45-0{,}2598\approx0{,}1902\ \mathrm m od bliższego końca. Istnieją dwa symetryczne miejsca: około 19,0 cm od jednego albo od drugiego końca. Po zawieszeniu wybieramy orientację z C pod osią.

Warunek dostępności jest spełniony: 0 < hmin < L/2. Nie pomylmy 0,2598 m od środka z 0,2598 m od końca. Byłyby to różne osie i różne okresy.

3. Najmniejszy okres

\ell_{\min}=2k\approx0{,}5196\ \mathrm m,\qquad T_{\min}=2\pi\sqrt{\frac{0{,}5196}{9{,}81}}\approx1{,}446\ \mathrm s.

To minimum, ponieważ \ell(h)-2k=(h-k)^2/h\ge0 dla h > 0, a równość występuje tylko przy h = k. Nie wystarczy powiedzieć, że znaleźliśmy jedną oś dającą krótki okres. Wskazaliśmy dolną granicę i położenie, w którym jest osiągana.

Pomijalna masa wyciętego otworu, sztywność pręta, mała amplituda i małe tarcie należą do założeń. Duży otwór lub ciężki uchwyt wymagałyby ponownego wyznaczenia środka masy i IC.

Dla porównania zawieszenie tego samego pręta na końcu dałoby długość zastępczą 0,600 m i okres około 1,554 s. Znaleziona oś zapewnia krótszy okres mimo tego samego przedmiotu i tej samej grawitacji; zmieniono warunki obrotu, a nie masę.

Powiązana teoria

Przesuń oś wahadła: krótsze ramię nie zawsze skraca okres

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Znajdź najlepsze położenie osi

Najpierw przewiduj: Przesuwaj oś ku środkowi masy. Zanim spojrzysz na wykres, przewidź: okres będzie stale malał czy pojawi się minimum?

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Zależność okresu wahadła od odległości osi od środka masy.
Zależność okresu wahadła od odległości osi od środka masy. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

Pręt o długości 1 m, zawieszony na końcu: h = 0,5 m, I/m = 1/3 m². Przy g = 9,81 m/s² okres wynosi około 1,638 s.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Przy małych wychyleniach T=2\pi\sqrt{\frac{I_{\rm cm}/m+h^2}{gh}}. Dla pręta Icm/m = L²/12, dysku R²/2, a cienkiej obręczy R². Oś pozostaje w obrębie bryły. Suwak położenia osi podaje ułamek maksymalnego h: L/2 dla pręta oraz R dla koła. Nie jest bezpośrednio odległością w metrach.

Wykres pokazuje T(h). Minimum wypada przy h = √(Icm/m). Zbliżanie osi do środka masy osłabia moment siły przywracającej; dla h → 0 okres rośnie bez ograniczenia. Sam punkt h = 0 nie opisuje takiego wahadła i nie jest dostępny. Animacja używa amplitudy 10°, przybliżenia małych kątów i stałego g = 9,81 m/s². Pomija tarcie, podatność zawieszenia oraz opory powietrza.

Dodatkowo T²h = (4π²/g)h² + (4π²/g)(Icm/m). Podane pod wykresem wartości pozwalają zbudować prostą na papierze. Masa skraca się tylko wtedy, gdy porównujesz tę samą geometrię rozkładu masy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.