Примеры решения задач

1. На концах тонкого стержня длиной 1 = 1 м и массой m₁ = 0,4 кг укреплены шарики малых размеров массами m₂=0,2 кг и m₃ = 0,3 кг. Стержень колеблется около горизонтальной оси, перпендикулярной стержню и проходящей через его середину. Определить период колебаний, совершаемых стержнем.

Решение.

Стержень с шариком (рис. 1.5) представляет собой физический маятник, период колебаний которого определяется формулой

,

где I - момент инерции маятника относительно оси колебаний; m - его масса; _c - расстояние от центра масс маятника до оси.

Принимая шарики за материальные точки, общий момент инерции маятника определяем выражением

, I =158 кг×м².

Масса маятника кг. Расстояние l_c от оси маятника до его центра масс равно

Произведя вычисления, найдем _c = 5,55 см, Т= 11,2 с.

2. Найти частоту малых колебаний системы, показанной на рис.1.6. Известны радиус блока R, его момент инерции I относительно оси вращения, масса тела m и жесткость пружины k.

Решение

В состоянии равновесия , где x₀ - деформация пружины. При отклонении тела на величину х движение данной системы описывается уравнениями:

, .

Учитывая, что и , получим

.

Это равенство представляет собой дифференциальное уравнение, описывающее гармонические колебания данной системы. Сопоставляя его со стандартным видом дифференциального уравнения, найдем

.

3. Тело массой m упало с высоты h на чашку пружинных весов (рис. 1.7). Массы чашки и пружины пренебрежимо малы, жесткость последней k. Прилипнув к чашке, тело начинает совершать гармонические колебания в вертикальном направлении. Найти амплитуду колебаний и их энергию.

Решение.

Учитывая то, что масса чашки мала, закон сохранения механической энергии запишется в виде

,

где х - деформация пружины, после прилипания тела к чашке весов.

Приведя данное уравнение к стандартному виду, и решая его относительно х, найдем

.

В состоянии статического равновесия тела на весах выполняется условие

,

откуда .

Таким образом, амплитуда колебаний груза на пружине определится как разность полученных значений, т.е.

.

Энергия колебаний найдется из формулы

.

4. Частица массой m = 0,01 кг совершает гармонические колебания с периодом Т = 2 с. Полная энергия колеблющейся частицы E = 0,1 мДж. Определить амплитуду А колебаний и наибольшее значение силы F_max, действующей на частицу.

Решение.

Для определения амплитуды колебаний воспользуемся выражением полной энергии частицы:

,

где w = 2p/Т. Отсюда амплитуда

Так как частица совершает гармонические колебания, то сила, действующая на нее, является квазиупругой и, следовательно, может быть выражена соотношением F=-kx, где k - коэффициент квазиупругой силы; х - смещение колеблющейся точки. Максимальной сила будет при максимальном смещении х_max равном амплитуде:

F_max=kA.

Коэффициент k выразим через период колебаний:

.

Подставив выражения для А и k в формулу для максимальной силы и произведя упрощения, получим

.

Произведем вычисления:

А = 45 мм, 4,4 мН.

Дата добавления: 2015-07-18