Moment bezwładności z dwóch równych okresów
Sztywna bryła o masie 2,00 kg ma dwa różne zawieszenia o jednakowym okresie małych drgań. Ich odległości od środka masy wynoszą 0,16 m i 0,25 m; osie są równoległe. Wyznacz IC, odległość osi dającej najkrótszy okres i ten okres. Porównaj go z okresem obu podanych zawieszeń. Przyjmij g = 9,81 m/s² i możliwość umieszczenia osi w całym rozpatrywanym zakresie.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Różność podanych odległości jest istotna: dopiero wtedy równość okresów wyznacza k² = h₁h₂. Moment centralny to mk², a nie mh₁² ani mh₂².
Rozwiązanie
1. Co wnosi równość okresów?
Dla tej samej bryły i równoległych osi k jest stałe. Ponieważ 0,16 m i 0,25 m są różne, z równości h_1+k^2/h_1=h_2+k^2/h_2 otrzymujemy:
k^2=h_1h_2=0{,}16\cdot0{,}25=0{,}0400\ \mathrm{m^2},\qquad I_C=mk^2=0{,}0800\ \mathrm{kg\,m^2}.
Gdyby obie odległości były jednakowe, ten krok byłby nieuprawniony: równość okresów nie pozwalałaby wtedy wyznaczyć IC.
2. Oś najszybszych drgań
h_{\min}=k=\sqrt{0{,}0400}=0{,}200\ \mathrm m.
To średnia geometryczna podanych odległości, nie średnia arytmetyczna 0,205 m. Minimalna długość zastępcza wynosi 2k = 0,400 m, zatem T_{\min}=2\pi\sqrt{0{,}400/9{,}81}\approx1{,}269\ \mathrm s.
3. Czy poprawa będzie duża?
Dla dwóch początkowych osi długość zastępcza jest sumą odległości: ℓ = 0,16 + 0,25 = 0,410 m. Ich wspólny okres to T_0=2\pi\sqrt{0{,}410/9{,}81}\approx1{,}285\ \mathrm s. Skrócenie do minimum wynosi około 0,0158 s, czyli 1,23% początkowego okresu.
Mała poprawa ma sens: obie osie były już blisko minimum. W jego otoczeniu zmiana ℓ względem 2k zależy od (h − k)²/h, więc mały błąd położenia nie daje zmiany pierwszego rzędu. W rzeczywistym pomiarze trzeba porównać tę niewielką różnicę okresów z niepewnością czasu i wpływem tarcia; dodatkowe cyfry kalkulatora nie zapewniają jej wykrywalności.
Same momenty względem osi zawieszenia nie są równe: I₁ = 0,0800 + 2,00 · 0,16² = 0,1312 kg·m² i I₂ = 0,2050 kg·m². Jednakowy okres wynika z jednakowego ilorazu Iₒ/(mgh), a nie z jednakowej bezwładności obrotowej.
Powiązana teoria
Przesuń oś wahadła: krótsze ramię nie zawsze skraca okres
Dalsza lektura
Znajdź najlepsze położenie osi
Najpierw przewiduj: Przesuwaj oś ku środkowi masy. Zanim spojrzysz na wykres, przewidź: okres będzie stale malał czy pojawi się minimum?
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 »
← 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