МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ. ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК
Всякое тело, подвешенное в точке, лежащей выше его центра тяжести, может колебаться и представляет собой физический маятник (рис. 6.1). Если мятник отклонить от положения равновесия на угол j, то сила тяжести создает относительно оси вращения (проходит через т. О1 перпендикулярно к плоскости рисунка) вращающий момент , (6.1) где l1 – расстояние от оси вращения до центра тяжести С, m – масса маятника, а угол j отсчитывается от вертикальной линии против часовой стрелки. Момент силы М стремится вернуть маятник в положение равновесия. При малых углах отклонения колебания маятника будут близки к гармоническим. Действительно, при малых углах sin j» j и формула (6.1) принимает вид . (6.2) По основному закону динамики вращательного движения , (6.3) где J – момент инерции маятника относительно оси О1; –угловое ускорение. Подставляем M и ε в формулу (6.3): . (6.4) Обозначая , перепишем равенство (6.4) в виде . (6.5) Уравнение (6.5) – дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Решением этого уравнения является функция , (6.6) где j0 – максимальный угол отклонения маятника от положения равновесия, а круговая (или циклическая) частота. Для периода колебаний получаем . (6.7) Величину называют приведенной длиной физического маятника. Подставив это в выражение (6.7), найдем, что приведенная длина физического маятника равна длине математического маятника с таким же периодом колебаний. Точка, находящаяся на расстоянии lпр от точки подвеса по линии, проходящей через центр тяжести, называется центром качания. Точка подвеса и центр качания обладают свойством обратимости: если центр качания сделать точкой подвеса, то прежняя точка подвеса станет новым центром качания, при этом период колебаний не изменится. Для доказательства этого утверждения воспользуемся теоремой Штейнера: момент инерции тела относительно оси z равен моменту инерции этого тела относительно оси z’, проходящей через его центр инерции параллельно оси z, плюс произведение массы тела на квадрат расстояния между осями z и z’, т.е. , (6.8) где J – момент инерции относительно оси z; J0 – момент инерции относительно оси z’; m – масса тела; l – расстояние между осями z и z’. Рассмотрим вращение физического маятника вокруг точки О1 (см. рис. 6.1). Проведем линию О1С и на ее продолжении возьмем точку О2, такую, что О1О2 = lпр1. Обозначим О2С = l2, так что . Тогда . Таким образом, . Теперь перевернем маятник и рассмотрим его вращение вокруг оси, проходящей через точку О2, при этом , откуда следует, что lпр1 =lпр2.
|