Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js

گاما رو نصب کن!

اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

میتونی لایو بذاری!
درحال دریافت اطلاعات ...

درسنامه آموزشی فیزیک (3) دوازدهم علوم ریاضی با پاسخ فصل سوم: انرژی در حرکت هماهنگ ساده

آخرین ویرایش: 17:37   1400/01/25 16123 گزارش خطا

شکل 3-6 سامانهٔ جرم - فنری را هنگام نوسان روی سطح افقی بدون اصطکاک نشان می‌دهد. این سامانه مثال بارز حرکت هماهنگ ساده است. در کتاب فیزیک 1 دیدید وقتی فنری فشرده یا کشیده می‌شود در سامانهٔ جرم - فنر انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می‌شود، به طوری که با افزایش جابه جایی از نقطهٔ تعادل (جایی که فنر نه فشرده و نه کشیده شده است) این انرژی پتانسیل افزایش می‌یابد. بنابراین انرژی پتانسیل سامانهٔ جرم - فنر در نقاط بازگشتی (x=±A) بیشینه و در نقطهٔ تعادل (x=0) برابر صفر است.

سامانۀ جرم  فنر در نوسان روی سطح افقی بدون اصطکاک
شکل 3-6 سامانۀ جرم - فنر در نوسان روی سطح افقی بدون اصطکاک

انرژی جنبشی این سامانه نیز به جرم قطعهٔ متصل به فنر و تندی آن بستگی دارد و برابر با K=12mv2 است. با افزایش جابه جایی از نقطهٔ تعادل، تندی کاهش می‌یابد و انرژی جنبشی سامانه نیز کم می‌‌شود، طوری که در نقاط بازگشتی x=±A که تندی صفر می‌‌شود انرژی جنبشی سامانه به صفر می‌رسد. بیشینهٔ تندی در نقطهٔ تعادلِ x=0 رخ می‌دهد و بنابراین انرژی جنبشی نیز در این نقطه بیشینه می‌‌شود.
در فیزیک 1 آموختیم که انرژی مکانیکی این سامانه برابر با مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آن است (E=K+U). چون سطح بدون اصطکاک است، انرژی مکانیکی سامانه پایسته می‌ماند و بنابراین مجموع انرژی‌های جنبشی و پتانسیل در نقاط بازگشتی، نقطهٔ تعادل، و هر نقطهٔ دلخواه دیگری از مسیر با هم برابر است. به همان اندازه که با افزایش جابه جایی از نقطه تعادل، انرژی پتانسیل افزایش می‌یابد، انرژی جنبشی کاهش می‌یابد و بالعکس. شکل 3-7 تبدیل انرژی‌های جنبشی و پتانسیل به یکدیگر و پایستگی انرژی مکانیکی در حرکت هماهنگ سادهٔ سامانهٔ جرم - فنر را نشان می‌دهد.

7 تبدیل انرژی در حین حرکت هماهنگ سادۀ سامانۀ جرم - فنر.
شکل 3-7 تبدیل انرژی در حین حرکت هماهنگ سادۀ سامانۀ جرم - فنر. توجه کنید که در نقطۀ x=0 انرژی، صرفاً جنبشی و در نقطه‌های x=±A انرژی، صرفاً پتانسیل است.در این حرکت انرژی مکانیکی پایسته است، به گونه‌ای که به طور پیوسته از انرژی پتانسیل U به انرژی جنبشی K تبدیل می‌‌شود و بالعکس.

نشان داده می‌‌شود انرژی مکانیکی سامانهٔ جرم - فنر در حرکت هماهنگ ساده از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

(۶-۳)            (انرژی مکانیکی سامانهٔ جرم - فنر)                                              K=12kA2

که در آن k ثابت فنر و A دامنهٔ نوسان است. با استفاده از رابطه‌های 3-5 و 3-3 به رابطهٔ مفید دیگری می‌رسیم که برای هر نوسانگر هماهنگ سادهٔ دیگری از جمله آونگ ساده نیز برقرار است:

E=12kA2=12mω2A2=2π2mA2f2

یا:

(۷-۳)            (انرژی مکانیکی نوسانگر هماهنگ ساده)                                               E=2π2mA2f2

اگرچه پایستگی انرژی مکانیکی و تبدیل انرژی‌های جنبشی و پتانسیل به یکدیگر را فقط برای نوسانگر جرم - فنر بررسی کردیم، ولی می‌توان نشان داد در حالت کلی، برای هرگونه نوسانگر هماهنگ سادهٔ دیگری (از جمله آونگ ساده) نیز برقرار است. همچنین بنا به رابطهٔ 3-7 انرژی مکانیکی هر نوسانگر هماهنگ ساده‌ای متناسب با مربع دامنه (A2) و مربع بسامد (f2) است.

مثال ۳-۳
الف) نشان دهید تندی بیشینه در حرکت هماهنگ ساده برابر است با Aω.
ب) تندی نوسانگر هماهنگ ساده‌ای که با دامنهٔ 10cm و دورهٔ 0/50s نوسان می‌کند هنگام عبور از نقطهٔ تعادل چقدر است؟
پاسخ: الف) بیشینهٔ تندی در حرکت هماهنگ ساده هنگام عبور نوسانگر از نقطهٔ تعادل رخ می‌دهد، جایی که انرژی پتانسیل صفر است. با استفاده از تعریف انرژی مکانیکی (E=K+U) و همچنین رابطه‌های 3-7 و 3-3 خواهیم داشت:

2π2mA2f2=12mv2max

ب)

{{v}_{\max }}=A\omega =A(\frac{2\pi }{T})=(0/10m)(\frac{2\pi }{0/50s})=1/3m/s

آونگ ساده: آونگ ساده شامل وزنهٔ کوچکی به جرم m (موسوم به وزنهٔ آونگ) است که از نخی بدون جرم و کش نیامدنی به طول L که سر دیگر آن ثابت شده، آویزان است (شکل 3-8). اگر زاویهٔ انحراف آونگ از وضع تعادل کوچک باشد، آونگ حرکت هماهنگ ساده خواهد داشت و همان تبدیل‌های انرژی نوسانگر هماهنگ ساده در اینجا نیز رخ می‌دهد.

آونگ ساده، شامل وزنه ای کوچک است که از نخی بدون جرم و کش نیامدنی آویزان است.
شکل 3-8 آونگ ساده، شامل وزنه‌ای کوچک است که از نخی بدون جرم و کش نیامدنی آویزان است.

آزمایش‌های متعدد و محاسبه، نشان می‌دهد دورهٔ تناوب آونگ ساده فقط به شتاب گرانشی (g) و طول آونگ (L) بستگی دارد، و از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

(۸-۳)            (دورهٔ تناوب آونگ ساده)                                               T=2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}

این رابطه نشان می‌دهد که دورهٔ تناوب آونگ ساده به جرم و دامنهٔ آن بستگی ندارد.

مثال ۳-۴
بستگی دورهٔ تناوب آونگ به شتاب گرانشی، روش دقیقی را برای تعیین g به دست می‌دهد. در این روش با اندازه گیری طول L و دورهٔ تناوب T، می‌توان g را به دست آورد. ژئوفیزیک‌دانی با استفاده از یک آونگ ساده به طول 0/171m که 72/0 نوسان کامل را در 60/0s انجام می‌دهد، شتاب g زمین را در مکانی خاص تعیین می‌کند. وی مقدار g را در این مکان چقدر به دست می‌آورد؟
پاسخ: رابطهٔ دورهٔ تناوب آونگ ساده را برای g حل می‌کنیم:

g=\frac{4{{\pi }^{2}}L}{{{T}^{2}}}

که در آن T دورهٔ تناوب این آونگ است:

فرمول دورهٔ تناوب آونگ

در نتیجه g چنین به دست می‌آید:

g=\frac{4{{\pi }^{2}}L}{{{T}^{2}}}=\frac{4{{\pi }^{2}}(0/171m)}{{{(0/833s)}^{2}}}=9/73m/{{s}^{2}}