16. Математический маятник. Дифференциальное уравнение колебаний математического маятника. Вывод формулы периода колебаний математического маятника.

Математический маятник, материальная точка, совершающая под действием силы тяжести колебания вдоль дуги окружности, расположенной в вертикальной плоскости. Практически М. м. можно считать груз, подвешенный на нерастяжимой нити, если размеры груза очень малы по сравнению с длиной нити, масса нити очень мала по сравнению с массой груза.

Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую изматериальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения[1]. Период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен

и не зависит[2] от амплитуды колебаний и массы маятника.

Колебания математического маятника описываются обыкновенным дифференциальным уравнением вида

где   ― положительная константа, определяемая исключительно из параметров маятника. Неизвестная функция   ― это угол отклонения маятника в момент   от нижнего положения равновесия, выраженный в радианах;  , где   ― длина подвеса,   ― ускорение свободного падения. Уравнение малых колебаний маятника около нижнего положения равновесия (т. н. гармоническое уравнение) имеет вид:

.

Гармонические колебания

Маятник, совершающий малые колебания, движется по синусоиде. Поскольку уравнение движения является обыкновенным ДУ второго порядка, для определения закона движения маятника необходимо задать два начальных условия — координату и скорость, из которых определяются две независимых константы:

где   — амплитуда колебаний маятника,   — начальная фаза колебаний,   — циклическая частота, которая определяется из уравнения движения. Движение, совершаемое маятником, называется гармоническими колебаниями

Нелинейный маятник

Для маятника, совершающего колебания с большой амплитудой, закон движения более сложен:

где   — это синус Якоби. Для   он является периодической функцией, при малых   совпадает с обычным тригонометрическим синусом.

Параметр   определяется выражением

где   — энергия маятника в единицах t−2.

Период колебаний нелинейного маятника

где K — эллиптический интеграл первого рода.

Для вычислений практически удобно разлагать эллиптический интеграл в ряд:

, где   — период малых колебаний,   — максимальный угол отклонения маятника от вертикали.

При углах до 1 радиана (≈60°) с приемлемой точностью (ошибка менее 1 %) можно ограничиться первым приближением:

.

Точная формула периода, с квадратичной сходимостью для любого угла максимального отклонения, обсуждается на страницах 1096-1097 Сентябрьского выпуска заметок американского математического общества 2012 г.[3]:

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний линейной системы определяется как   (1)