درسنامه آموزشی فیزیک (3) دوازدهم علوم ریاضی با پاسخ فصل سوم: انرژی در حرکت هماهنگ ساده
-
فیزیک (3) ریاضی
- فصل 1: حرکت بر خط راست
- قسمت 1: شناخت حرکت
- قسمت 2: حرکت با سرعت ثابت
- قسمت 3: حرکت با شتاب ثابت
- قسمت 4: سقوط آزاد
- فصل 2: دینامیک و حرکت دایرهای
- قسمت 1: قوانین حرکت نیوتون
- قسمت 2: معرفی برخی از نیروهای خاص
- قسمت 3: تکانه و قانون دوم نیوتون
- قسمت 4: حرکت دایرهای یکنواخت
- قسمت 5: نیروی گرانشی
- فصل 3: نوسان و موج
- قسمت 1: نوسان دورهای
- قسمت 2: حرکت هماهنگ ساده
- قسمت 3: انرژی در حرکت هماهنگ ساده
- قسمت 4: تشدید
- قسمت 5: موج و انواع آن
- قسمت 6: مشخصههای موج
- فصل 4: برهم کنشهای موج
- قسمت 1: بازتاب موج
- قسمت 2: شکست موج
- قسمت 3: پراش موج
- قسمت 4: تداخل امواج
- فصل 5: آشنایی با فیزیک اتمی
- قسمت 1: اثر فوتوالکتریک و فوتون
- قسمت 2: طیف خطی
- قسمت 3: مدل اتم رادرفورد- بور
- قسمت 4: لیزر
- فصل 6: آشنایی با فیزیک هستهای
- قسمت 1: ساختار هسته
- قسمت 2: پرتوزایی طبیعی و نیمه عمر
- قسمت 3: شکافت هستهای
- قسمت 4: گداخت (همجوشی) هستهای
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.

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.

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.

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:
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}}