Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 1. Физическим маятником называется твердое тело, которое может качаться вокруг неподвижной горизонтальной оси. Точка $A$ пересечения ее с вертикальной плоскостью, проходящей через центр масс маятника, называется точкой подвеса маятника (рис. 85). Положение тела в каждый момент времени можно характеризовать углом отклонения его из положения равновесия $\varphi$. Угол ч играет роль обобщенной координаты $q$. Кинетическая энергия качающегося физического маятника определяется выражением где $I$ – момент инерции маятника относительно оси $A$. Потенциальная энергия равна $E_{\text {пот }}=m g h$, где $h$ – высота поднятия центра масс $C$ над его самым нижним положением. Обозначим через $a$ расстояние между центром масс $C$ и точкой подвеса $A$. Тогда В случае малых колебаний синус угла $\varphi / 2$ можно приближенно заменить самим углом. В этом приближении Таким образом, для малых колебаний потенциальная и кинетическая энергии приводятся к виду (40.8), причем $\alpha=m g a, \beta=I$. Отсюда следует, что малые колебания физического маятника будут приблизительно гармоническими с циклической частотой и периодом Если период колебаний не зависит от амплитуды, то такие колебания называются изохронными. Мы видим, что малые колебания физического маятника изохронны. Колебания приближенно изохронны, когда угловая амплитуда колебаний не превышает нескольких градусов. При бо́льших амплитудах изохронность нарушается. На свойстве изохронности колебаний маятника основано его применение в часах. Частным случаем физического маятника является математический маятник. Так называется маятник, вся масса которого практически сосредоточена в одной точке – в центре масс маятника С. Примером математического маятника может служить шарик, подвешенный на длинной нити. В случае математического маятника $a=l$, $I=m l^{2}$, где $l$ – длина маятника, и формула (41.2) переходит в Сравнивая формулы (41.2) и (41.3), делаем вывод, что физический маятник колеблется так же, как математический маятник с длиной которая называется приведенной длиной физического маятника. Мы доказали это утверждение только для малых колебаний маятников. Но оно справедливо и для колебаний с конечными амплитудами, когда колебания не изохронны. Требуется только, чтобы угловые амплитуды физического и математического маятников были одинаковы. Доказательство этого мы предоставляем читателю. Отсюда следует, во-первых, что $l>a$, т. е. точка подвеса $A$ и центр качания $A^{\prime}$ лежат по разные стороны от центра масс $C$, и, вовторых, что всем точкам подвеса, одинаково удаленным от центра масс маятника, соответствует одна и та же длина $l$, а следовательно, один и тот же период колебаний $T$. Точка подвеса и центр качания являются взаимными или сопряженными точками в следующем смысле. Если маятник подвесить за центр качания $A^{\prime}$, то его период не изменится и прежняя точка подвеса $A$ сделается новым центром качания. Это положение называется теоремой Гюйгенса. Для ее доказательства обозначим через $a^{\prime}$ длину отрезка $A^{\prime} C$ и допустим, что маятник подвешен за точку $A^{\prime}$. Тогда его приведенная длина будет Но $a^{\prime}=l-a$, или в силу соотношения (41.5) $a^{\prime}=I_{C} /(m a)$. Подставив это значение в предыдущую формулу, получим $l^{\prime}=$ $=I_{C} /(m a)+a$. Таким образом, $l^{\prime}=l$, т. е. приведенная длина, а с ней и период колебаний физического маятника остались без изменения. Это и доказывает теорему Гюйгенса. Вместо периода колебаний можно пользоваться приведенной длиной маятника $l$, однозначно определяющей его период колебаний. При удалении точки подвеса в бесконечность или при приближении ее к центру масс $C$ приведенная длина $l$ стремится к бесконечности и Рис. 86 достигает минимума в каком-то промежуточном положении. Графически это представлено кривой на рис. 86. На оси абсцисс отложена величина $a$, на оси ординат – приведенная длина $l$ маятника. Кривая состоит из двух ветвей, симметрично расположенных относительно оси ординат. Одна ветвь соответствует случаю, когда точка подвеса расположена по одну, а вторая – по другую сторону от центра масс $C$. Аналитически кривая изображается уравнением (41.5), которое можно переписать в виде Фиксированному значению приведенной длины $l_{0}$ соответствует на рис. 86 горизонтальная прямая $l=l_{0}$. Точки пересечения ее с кривой определяют положение точек подвеса физического маятника, при которых его приведенная длина равна заданному значению $l_{0}$. Вообще говоря, таких точек пересечения четыре. Две из них расположены по одну, две остальные – по другую сторону от центра масс С. Их положение легко найти из квадратного уравнения Если $l_{0}>2 \sqrt{I_{C} / m}$, это уравнение имеет два вещественных положительных корня $a_{1}$ и $a_{2}$, причем В этом случае по одну и ту же сторону от центра масс $C$ имеются две точки подвеса $A_{1}$ и $A_{2}$ (рис. 87 ), которым соответствует одна и та же приведенная длина $l_{0}$. По другую сторону от центра масс Рис. 87 С лежит вторая пара симметрично расположенных точек подвеса $A_{1}^{\prime}$ и $A_{2}^{\prime}$, характеризующаяся той же приведенной длиной $l_{0}$. Если $l_{0}=2 \sqrt{I_{C} / m}$, корни уравнения (41.7) совпадают, т. е. обе точки подвеса по каждую сторону от центра масс сливаются в одну. Если $l_{0}<2 \sqrt{I_{C} / m}$, корни уравнения (41.7) мнимые. Не существует точек подвеса, для которых приведенная длина была бы меньше $2 \sqrt{I_{C} / m}$. Теорема Гюйгенса теперь становится очевидной. Действительно, из соотношения (41.8) следует, что расстояние между точками $A_{1}$ и $A_{2}^{\prime}$, а также между точками $A_{1}^{\prime}$ и $A_{2}$ равно приведенной длине маятника $l$. Если одну из точек каждой пары принять за точку подвеса, то вторая будет центром качания. Но это и есть теорема Гюйгенса. Наше рассмотрение показывает также, что точка подвеса и центр качания находятся по разные стороны от центра масс и расположены асимметрично относительно него. Исключение составляет только случай, когда $l_{0}=2 \sqrt{I_{C} / m}$. Тогда точки $A_{1}$ и $A_{2}$ сливаются в одну точку. Сливаются также и точки $A_{1}^{\prime}$ и $A_{2}^{\prime}$. В этом исключительном случае точка подвеса и центр качания расположены симметрично относительно центра масс.
|
1 |
Оглавление
|