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
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,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