§ 3. Физический и математический маятники

Определение физического и математического маятников

В качестве конкретного примера тела, вращающегося вокруг оси, рассмотрим движение маятников.

Физическим маятником называется твердое тело, обладающее горизонтальной осью вращения, вокруг которой оно совершает колебательные движения под действием своего веса (рис. 119).

Рис. 119

Рис. 120

Положение маятника полностью определяется углом его отклонения от положения равновесия, и поэтому для определения закона движения маятника достаточно найти зависимость этого угла от времени.

Уравнение вида:

называется уравнением (законом) движения маятника. Он зависит от начальных условий, т. е. от угла и угловой скорости Таким образом,

Предельным случаем физического Маятника является математический маятник, представляющий (как указывалось ранее — глава 2, § 3) материальную точку, соединенную с горизонтальной осью, вокруг которой она вращается, жестким невесомым стержнем (рис. 120). Расстояние материальной точки от оси вращения называется длиной математического маятника.

Уравнения движения физического и математического маятников

Выберем систему осей координат так, чтобы плоскость ху проходила через центр тяжести тела С и совпадала с плоскостью качания маятника, как это показано на чертеже (рис. 119). Ось направим перпендикулярно к плоскости чертежа на нас. Тогда на основании результатов предыдущего параграфа уравнение движения физического маятника запишем в виде:

где через обозначен момент инерции маятника относительно его оси вращения и

Поэтому можно написать:

Активной силой, действующей на маятник, является его вес момент которого относительно оси привеса будет:

где — расстояние от оси вращения маятника до его центра масс С.

Следовательно, приходим к следующему уравнению движения физического маятника:

Так как математический маятник является частным случаем физического, то записанное выше дифференциальное уравнение справедливо и для математического маятника. Если длина математического маятника равна а вес его то момент инерции его относительно оси вращения равен

Так как расстояние центра тяжести математического маятника от оси равно то окончательно дифференциальное уравнение движения математического маятника можно написать в виде:

Приведенная длина физического маятника

Сравнивая уравнения (16.8) и (16.9), можно заключить, что если параметры физического и математического маятников связаны соотношением

или

то законы движения физического и математического маятников одинаковы (при одинаковых начальных условиях).

Последнее соотношение указывает на ту длину, которую должен иметь математический маятник, чтобы двигаться так же, как соответствующий физический маятник. Эта длина называется приведенной длиной физического маятника. Смысл этого понятия заключается в том, что изучение движения физического маятника можно заменить изучением движения математического маятника, представляющего собой простейшую механическую схему.

Первый интеграл уравнения движения маятника

Уравнения движения физического и математического маятников имеют один и тот же вид, следовательно, уравнение их движения будет

где

Так как единственной силой, которая учитывается в этом уравнении, будет сила тяжести, принадлежащая потенциальному силовому полю, то имеет место закон сохранения механической энергии.

Последний можно получить простым приемом, именно умножим уравнение (16.10) на тогда

или

Интегрируя это уравнение, получим

Определяя постоянную интегрирования Си из начальных условий найдем

Решив последнее уравнение относительно получим

Это соотношение представляет собой первый интеграл дифференциального уравнения (16.10).

Определение опорных реакций физического и математического маятников

Первый интеграл уравнений движения позволяет определить опорные реакции маятников. Как указывалось в предыдущем параграфе, реакции опор определяются из уравнений (16.5). В случае физического маятника составляющие активной силы по осям координат и моменты ее относительно осей будут:

Координаты центра масс определяются формулами:

Тогда уравнения для определения реакций опор принимают вид:

Центробежные моменты инерции тела и расстояния между опорами должны быть известны по условиям задачи. Угловое ускорение в и угловая скорость со определяются из уравнений (16.9) и (16.4) в виде:

где

Таким образом, уравнения (16.12) полностью определяют составляющие опорных реакций физического маятника.

Уравнения (16.12) еще упрощаются, если рассматривать математический маятник. Действительно, так как материальная точка математического маятника расположена в плоскости то Кроме того, так как закреплена одна точка, то Следовательно, уравнения (16.12) обращаются в уравнения вида:

где

Из уравнений (16.13) с использованием уравнения (16.9) следует, что реакция опоры направлена вдоль нити I (рис. 120). Последнее представляет собой очевидный результат. Следовательно, проектируя составляющие равенств (16.13) на направление нити, найдем уравнение для определения реакции опоры вида (рис. 120):

Подставляя сюда значение и учитывая, что запишем:

Последнее соотношение определяет динамическую реакцию математического маятника. Заметим, что статическая реакция его будет

Качественное исследование характера движения маятника

Первый интеграл уравнения движеиия маятника позволяет провести качественное исследование характера движения его. Именно, запишем этот интеграл (16.11) в виде:

В процессе движения подкоренное выражение должно быть либо положительным, либо обращаться в некоторых точках в нуль. Допустим, что начальные условия таковы, что

В этом случае подкоренное выражение нигде не обращается в нуль. Следовательно, при движении маятник будет пробегать все значения угла и угловая скорость со маятника имеет один и тот же знак, который определяется направлением начальной угловой скорости, или угол будет либо все время возрастать, либо все время убывать, т. е. маятник будет вращаться в одну сторону.

Направления движения будут соответствовать тому или иному знаку в выражении (16.11). Необходимым условием реализации такого движения является наличие начальной угловой скорости, так как из неравенства (16.14) видно, что если то ни при каком начальном угле отклонения получить такое движение маятника невозможно.

Пусть теперь начальные условия таковы, что

В этом случае найдутся два таких значения угла при которых подкоренное выражение обращается в нуль. Пусть они соответствуют углам, определяемым равенством

Причем будет где-то в диапазоне изменения от 0 до . Далее, очевидно, что при

подкоренное выражение (16.11) будет положительным и при сколь угодно мало превышающем оно будет отрицательным.

Следовательно, при движении маятника его угол изменяется в диапазоне:

При угловая скорость маятника обращается в нуль и угол начинает уменьшаться до значения . При этом изменится знак угловой скорости или знак перед радикалом в выражении (16.11). Когда достигает значения угловая скорость маятника вновь обращается в нуль и угол опять начинает увеличиваться до значения

Таким образом, маятник будет совершать колебательные движения

Амплитуда колебаний маятника

При колебательных движениях маятника максимальная величина его отклонения от вертикали называется амплитудой колебания. Она равна которое определяется из равенства

Как следует из последней формулы, амплитуда колебания зависит от начальных данных основных характеристик маятника или его приведенной длины.

В частном случае, когда маятник отклонен от равновесного положения и отпущен без начальной скорости то будет равно , следовательно, амплитуда не зависит от приведенной длины.

Уравнение движения маятника в конечной форме

Пусть начальная скорость маятника равна нулю, тогда первый интеграл уравнения движения его будет:

Интегрируя это уравнение, находим

Будем вести отсчет времени от положения маятника, соответствующего тогда

Преобразуем подынтегральное выражение с помощью формулы:

Тогда получим:

Полученный интеграл называется эллиптическим интегралом первого рода. Он не может быть выражен с помощью конечного числа элементарных функций.

Обращение эллиптического интеграла (16.15) относительно его верхнего предела представляет уравнение движения маятника:

Это будет хорошо изученная эллиптическая функция Якоби.

Период колебания маятника

Время одного полного колебания маятника называется периодом его колебания. Обозначим его Т. Так как время движения маятника от положения до положения такое же, как время движения от то Т определится формулой:

Далее, так как при движении от до скорость отрицательна, то перед интегралом следует взять знак минус. Тогда

Сделаем замену переменных, положив

При изменяющихся в пределах от 0 до будет меняться от 0 до . Далее,

и, следовательно,

Последний интеграл называется полным эллиптическим интегралом первого рода (значения его даются специальными таблицами).

При подынтегральная функция стремится к единице и .

Приближенные формулы малых колебаний маятника

В случае когда колебания маятника имеют небольшую амплитуду (практически не должно превышать 20°), можно положить

Тогда дифференциальное уравнение движения маятника преобретает вид:

где приведенная длина маятника.

Это уравнение интегрируется в элементарных функциях. Общее решение его имеет вид:

где А и постоянные, зависящие от начальных условий определяемые из формулы:

или

Уравнение движения маятника в конечной форме (16.17) является периодической функцией от I. Это уравнение описывает колебательное движение с амплитудой А (зависящей от начальных условий) и периодом, который определяется формулой:

Как следует из формулы, период не зависит от начальных условий и определяется только приведенной длиной маятника. Это свойство малых колебаний маятника называется изохронностью. Оно используется, например, в часах, где благодаря изохронности обеспечивается точность хода.

Использование маятников для экспериментального определения ускорения силы тяжести на земной поверхности

Как следует из предыдущего, период колебания маятника зависит от Этим обстоятельством можно воспользоваться для экспериментального определения Обычно для этого применяется при бор, называемый оборотным маятником. Последний состоит из стержня с двумя призмами (рис. 121), ребра которых лежат на одной прямой с центром масс маятника, по обе стороны от него. Ребро может двигаться вдоль . Оборотный маятник может качаться относительно осей, совпадающих с ребрами . Принцип действия этого прибора основывается на следующем свойстве осей качания маятников. Как указывалось, приведенная длина маятника определяется формулой:

Рис. 121

Преобразуем это выражение, используя теорему Гюйгенса — Штейнера. Именно,

где — момент инерции маятника относительно оси, параллель ной оси его качания и проходящей через его центр масс, М — масса маятника. Тогда

Но где — радиус инерции маятника относительно оси, проходящей через центр масс. Следовательно,

Отсюда видно, что приведенная длина маятника всегда больше расстояния от его центра до оси подвеса. Отложим от точки О вдоль линии отрезок и заставим этот маятник качаться около новой оси, параллельной первоначальной, но проходящей через точку О. В этом случае роль отрезка а будет играть отрезок

и приведенная длина V равна:

или

Таким образом, приведенная длина маятника, а следовательно и закон его движения вокруг осей О и О не изменяется. Возвращаясь к оборотному маятнику, заставим его качаться относительно оси, совпадающей с ребром О, а потом — с ребром О. Затем, передвигая призму О вдоль , добьемся такого положения, когда периоды этих колебаний будут одинаковы. Это значит, что

Определив эту длину и измерив амплитуду колебаний и период колебаний Т, обращаясь к формуле (16.16), где найдем:

где

При малых колебаниях формула для определения сильно упрощается и имеет вид: