複雜的簡諧運動,是如此的形象簡單

2020-12-04 電子通信和數學

2001年6月,倫敦官方公布了一個引人注目的新項目:千禧橋,那是一座橫跨泰晤士河的人行天橋,他看起來很實用很酷,但它很快就被禁止使用了,因為當人們在這座橋上行走時,他們的步伐會使橋劇烈的搖晃,人們想繼續在上面走,就要跟著橋晃身體以保持平衡,然而這只會讓事情變得更糟,最後,劇烈的晃動使橋變成了S型,這實際上就是一個水平方向的波。於是這座橋不得不關閉,工程師花了近兩年時間才把問題解決,所以,千禧橋出了什麼問題?為什麼工程師沒有遇見到這個問題?答案在于振動。

更具體地說,它與間歇運動有關,那是一種遵循特定的,一致的模式的振動,我們先用物理學家們常用的模式來描述間歇運動,一個球連著一個彈簧,它們水平放在桌子上,當它靜止平放時,它處於平衡狀態,當你拉動球,使它連著的彈簧伸展,然後鬆手,球就會一直做往復運動,如果沒有摩擦的話,彈簧使它做的這個往復運動就是簡諧運動

關於做簡諧運動的球,它都有什麼能量?它最大速度是多少?為了更好理解球上發生了什麼,我們先從它能量開始,當球壓縮和拉伸彈簧時,動能和勢能都會發揮作用

動能是運動的能量,當球運動時,有兩個轉折點是沒有速度的,一點是彈簧被完全壓縮的地方,另一個點是彈簧被完全拉伸的地方。

這兩點與平衡點之間的距離叫做振幅,在這兩個轉折點,球沒有任何動能,因為它沒有速度

相反,球的所有能量都是來自彈簧的勢能

即勁度係數的一半乘以振幅的平方

現在,隨著球向中間移動,它的動能開始增加,因為它移動的越來越快,同時,它的勢能降低,總能量保持不變,球運動到中間時,也就是平衡點,它的勢能將到0,球回到初始位置,所以彈簧不在影響它了,而它的動能則達到了最大值

也就是說,在那一點上,球的總能量等於質量的一半乘以最大速度的平方。

現在我們有兩個關於這個振動彈簧的總能量方程。我們可以把它們組合成一個方程,如果我們把數字帶入式子,我們就可以回答關於球的第二個問題了。我們想知道球的最大速度,這個方程告訴我我們

它等于振幅乘以勁度係數除以質量的平方根,現在我們把這兩個問題都解決了。

我們知道了它的能量,還有了一個關於它最大速度的方程,但這個球可研究的東西遠不止能量和速度,它還有周期,頻率和角速度等性質。

另外,它的位置也是隨時間變化的,你可能覺得這些名詞很眼熟,我們已經在勻速圓周運動那篇集中討論過了它們了,這不是巧合,實際上,從數學上講,簡諧運動很像均勻圓周運動,如果你將彈簧上的球運動與勻速圓周運動的物體進行比較,比如一個以恆定速度沿著圓環運動的彈珠。

你就可以直觀地看到這一點,就這麼看的話其實它們並不像,因為彈簧上的球是一維運動,而圓周運動的彈珠是二維運動

但是如果你拿起環從側面看呢?但對你來說,它看起來就像是沿著一條直線來回移動

彈珠一直沿著他的圓環路徑移動,不僅如此,這個彈珠看起來在改變方向的瞬間是靜止的,而靠近中間的時候移動的更快些,這與小球在彈簧上的運動方式簡直一模一樣。

現在,讓我們再進一步比較一下,假設環的半徑與小球在彈簧上運動的振幅相同

珠沿著圓環運動的恆定速度等於小球在彈簧上的最大速度,此時就會發現,從側面看彈珠的速度方程與彈簧上球的速度方程完全相同。

以上就是對簡諧運動的形象解釋,歡迎大家談論閱讀。下篇將繼續深入討論簡諧運動更深層次的原理

相關焦點

  • 簡諧運動
    )首先,根據定義,物體受力大小與位移成正比,且方向相反的振動就是簡諧運動。生活中,簡諧運動的例子很多,比如彈簧振子。在簡諧運動中,ω代表振動的快慢。對於這個橢圓,長軸與短軸之比為ω,ω越大,橢圓就越扁。另外,A表示簡諧運動的振幅,當ω不變時,A變化的同時,橢圓等比例縮放,即形狀不變,面積改變。
  • 高中物理:簡諧運動
    (2)機械振動:物體在平衡位置附近所做的往復運動,叫做機械振動,通常簡稱為振動。(3)振動特點:振動是一種往復運動,具有周期性和重複性。2、簡諧運動(1)彈簧振子一個輕質彈簧聯接一個質點,彈簧的另一端固定,就構成了一個彈簧振子。
  • 從簡單的圓周運動得出美妙的簡諧運動
    前面我們假設模擬小球在彈簧上運動等價於均勻圓周圓周,彈珠沿著圓環運動的恆定速度等於小球在彈簧上的最大速度,我們知道彈珠運動一周所需的時間叫做周期,我們還知道周期等於圓環的周長除以彈珠的速度,最重要的是,圓環的半徑與彈簧上小球運動的振幅相同
  • 高中物理 | 11.2簡諧運動的描述詳解
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  • 簡諧運動的六種圖象
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    即物體的往復運動。在高中物理,可以定量研究(可以用公式法、作圖法、列表法給出確定數值)的只有四種最簡單的運動:勻變速直線運動、勻速圓周運動、拋體運動和簡諧振動。當一個物體發生振動時,物體會從平衡位置來回移動。如果一個物體靜止不動,位置不發生任何變化,這時我們說這個物體上受到的淨力為零。
  • 高中物理 | 11.1簡諧運動詳解
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    若小球做勻速圓周運動的半徑為R,角速度為w,經過某.一時間t1 小球到達位置P,連接質點的半徑在這段時間中所掃過的角度φ =wt1,可得,x1= R sinWt。從圖中可知,xn就是1時刻小球的投影所振動的位移。對任意時間t,投影振動的位移xx=Rsinwt。根據三角函數知識可知,x-t圖 象是一條正弦曲線。因此,做勻速圓周運動的物體在某一直徑方向上的投影的運動,是簡諧運動。
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    一、簡諧運動特徵1. 動力學特徵:,注意k不等同於彈簧的勁度係數,是由振動裝置本身決定的常數;動力學特徵也是判斷某機械運動是否為簡諧運動的依據。2. 運動學特徵:機械能守恆,注意振動物體通過平衡位置時勢能為零的說法不夠確切,應說成此位置勢能最小。
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    ①簡諧運動:物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比,並且總指向平衡位置的回覆力的作用下的振動,叫做簡諧運動。簡諧運動的動力學特徵是判斷物體是否為簡諧運動的依據。③簡諧運動的運動學特徵a=- x加速度的大小與振動物體相對平衡位置的位移成正比,方向始終與位移方向相反,總指向平衡位置。簡諧運動加速度的大小和方向都在變化,是一種變加速運動。
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  • 利用VC++模擬示波器實現簡諧振動的合成
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    [預習要點]了解"振動」「機械振動」"簡諧振動」的定義。機械振動是研究對象在某一中心位置附近的來回運動(平動或轉動),歸屬於機械運動,所以之前平動或轉動的運動學和動力學分析都適用於機械振動。簡諧振動是位置(線位移或角位移)隨時按正弦(或餘弦)規律變化的機械振動,是自然界最基本的周期性運動。知道研究簡諧振動的意義:複雜振動可以分解成多個簡諧振動;多個簡諧振動可以合成複雜振動(類比直線運動合成曲線運動的思想)。振動的學習很重要,對後期機械波、波動光學等等學習有很大的幫助。
  • 簡諧振動的對稱性
    3、對稱性:(1)關於平衡位置對稱的兩點物理量大小一定相等(2)時間也對稱相等例1、一彈簧振子做簡諧運動,O為平衡位置,當它經過O點時開始計時,經過0.3秒,第一次到達M點,再經過 0.2秒第二次到M點,則振子的周期為( )A、0.53s B、1.4s C、1.6s D、3s例2、如圖質量為m的木塊放在彈簧上端,在豎直方向上做簡諧運動,當振幅為A時,
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