Пружинный, математический и физический маятники.
1. Пружинный маятник — это груз массой т, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы F = –kx, где k — жесткость пружины. Уравнение движения маятника
Из выражений (142.1) и (140.1| уравнение гармонического колебания) следует, что пружинный маятник совершает гармонические колебания по закону х=Асоs (ω0t + φ) с циклической частотой
(142.2)
и периодом
(142.3)
Формула (142.3) справедлива для упругих колебаний в пределах, в которых выполняется закон Гука (см. (21.3)), т. е. когда масса пружины мала по сравнению с массой тела. Потенциальная энергия пружинного маятника, согласно (141.5) и (142.2), равна
2. Физический маятник — это твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси, проходящей через точкуО, не совпадающую с центром масс С тела (рис. 201).
Если маятник отклонен из положения равновесия на некоторый угол а, то в соответствии с уравнением динамики вращательного движения твердого тела (18.3) момент M возвращающей силы можно записать в виде
(142.4)
где J — момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвесаО, l – расстояние между ней и центром масс маятника, Fτ= –mgsina –mga. — возвращающая сила (знак минус обусловлен тем, что направления Fτ и a всегда противоположны; sina соответствует малым колебаниям маятника, т.е. малым отклонениям маятника из положения равновесия). Уравнение (142.4) можно записать в виде
Принимая
(142.5)
получим уравнение
идентичное с (142.1), решение которого (140.1) известно:
(142.6)
Из выражения (142.6) следует, что при малых колебаниях физический маятник совершает гармонические колебания с циклической частотой ω0 (см. (142.5)) и периодом
(142.7)
где L=J/(ml) — приведенная длина физического маятника.
ТочкаО' на продолжении прямой ОС, отстоящая от точки О подвеса маятника на расстоянии приведенной длины L, называется центром качаний физического маятника (рис. 201). Применяя теорему Штейнера (16.1), получим
т. е. ОО' всегда больше ОС. Точка подвесаОмаятника и центр качаний О' обладают свойством взаимозаменяемости: если точку подвеса перенести в центр качаний, то прежняя точка О подвеса
станет новым центром качаний, и период колебаний физического маятника не изменится.
3. Математический маятник — это идеализированная система, состоящая из материальной точки массой т, подвешенной на нерастяжимой невесомой нити, и колеблющаяся под действием силы тяжести. Хорошим приближением математического маятника является небольшой тяжелый шарик, подвешенный на тонкой длинной нити. Момент инерции математического маятника
(142.8)
где l — длина маятника.
Так как математический маятник можно представить как частный случай физического маятника, предположив, что вся его масса сосредоточена в одной точке — центре масс, то, подставив выражение (142.8) в формулу (1417), получим выражение для периода малых колебаний математического маятника
(142.9)
Сравнивая формулы (142.7) и (142.9), видим, что если приведенная длина L физического маятника равна длине l математического маятника, то периоды колебаний этих маятников одинаковы. Следовательно, приведенная длина физического маятника — это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физического маятника.