Кинетическая энергия поступательного движения
Поступательное движение — это механическое движение системы точек (тела), при котором любой отрезок прямой, связанный с движущимся телом, форма и размеры которого во время движения не меняются, остается параллельным своему положению в любой предыдущий момент времени.
Кинетическая энергия зависит от того, с каких позиций рассматривается система. Если рассматривать макроскопический объект (например, твёрдое тело видимых размеров), то тело неподвижно как единое целое, и можно говорить о такой форме энергии, как внутренняя энергия. Кинетическая энергия в этом случае появляется лишь тогда, когда тело движется как целое.
Кинетическая энергия вращательного движения
Враща́тельное движе́ние — вид механического движения. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами. Ось вращения в данной системе отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной.
Тело |
Описание |
Положение оси a |
Момент инерции Ja |
|
Материальная точка массы m |
На расстоянии r от точки, неподвижная |
|
|
Полый тонкостенный цилиндр или кольцо радиуса r и массы m |
Ось цилиндра |
|
|
Сплошной цилиндр или диск радиуса r и массы m |
Ось цилиндра |
|
|
Полый толстостенный цилиндр массы m с внешним радиусом r2 и внутренним радиусом r1 |
Ось цилиндра |
|
|
Сплошной цилиндр длины l, радиуса r и массы m |
Ось перпендикулярна к цилиндру и проходит через его центр масс |
|
|
Полый тонкостенный цилиндр (кольцо) длины l, радиуса r и массыm |
Ось перпендикулярна к цилиндру и проходит через его центр масс |
|
|
Прямой тонкий стержень длины l и массы m |
Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его центр масс |
|
|
Прямой тонкий стержень длины l и массы m |
Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его конец |
|
|
Тонкостенная сфера радиуса r и массы m |
Ось проходит через центр сферы |
|
|
Шар радиуса r и массы m |
Ось проходит через центр шара |
|
Силовые поля
Силово́е по́ле в физике — это векторное поле в пространстве, в каждой точке которого на пробную частицу действует определённая по величине и направлению сила (вектор силы).
Технически различают (как это делается и для других видов полей)
стационарные поля, величина и направление которых могут зависеть исключительно от точки пространства (координат x, у, z), и
нестационарные силовые поля, зависящие также от момента времени t.
Также
однородное силовое поле, для которого сила, действующая на пробную частицу, одинакова во всех точках пространства и
неоднородное силовое поле, не обладающее таким свойством.
Потенциальные поля
Если работа сил поля, действующих на перемещающуюся в нём пробную частицу, не зависит от траектории частицы, и определяется только её начальным и конечным положениями, то такое поле называется потенциальным. Для него можно ввести понятие потенциальной энергии частицы — некоторой функции координат частиц такой, что разность её значений в точках 1 и 2 равна работе, совершаемой полем при перемещении частицы из точки 1 в точку 2.
Сила в потенциальном поле выражается через потенциальную энергию как ее градиент:
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризующая способность некоего тела (или материальной точки) совершать работу за счет его нахождения в поле действия сил. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы[1]. Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином.
Условия равновесия механической системы
Равновесие механической системы - состояние механической системы, находящейся под действием сил, при котором все ее точки покоятся относительно рассматриваемой системы отсчета.
Равновесие механической системы имеет место в случае, когда все действующие на систему силы и моменты сил уравновешены.
При неизменных внешних воздействиях механическая система может пребывать в состоянии равновесия сколь угодно долго.
Общее условие равновесия твердого тела - совокупность условий, при которых твердое тело находится в равновесии: - равенство нулю суммы внешних сил, действующих на тело; - равенство нулю суммы моментов сил, действующих на тело; - равенство нулю начальной скорости центра масс; и - равенство нулю угловой скорости вращения тела.
Малые колебания диф. уравнение свободных незатухающих колебаний
Малые колебания - колебания, при которых возвращающая сила, действующая на тело, пропорциональна его отклонению от состояния равновесия.
Если A(t) и A(t+Т) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, то отношение
называется декрементом затухания, а его логарифм
— логарифмическим декрементом затухания; Ne — число колебаний, совершаемых во время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания — постоянная для данной колебательной системы величина.
диф уравнение гармонических колебаний
(2)
называется уравнением свободных гармонических колебаний (в дифференциальной форме).
Скорость ускорение гармонических колебаний
Механическое гармоническое колебание - это прямолинейное неравномерное движение, при котором координаты колеблющегося тела (материальной точки) изменяются по закону косинуса или синуса в зависимости от времени.
Согласно этому определению, закон изменения координаты в зависимости от времени имеет вид:
где wt - величина под знаком косинуса или синуса; w- коэффициент, физический смысл которого раскроем ниже; А - амплитуда механических гармонических колебаний.
Полная энергия гармонических колебаний
Примеры малых колебаний. Математический маятник.
Струны, стержни, мембраны, пластины Имеющие конечные размеры и закрепленные на краях.
Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую изматериальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения. Период малых собственных колебаний математического маятника длины l неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен
малые колебаний. Физический маятник.
Струны, стержни, мембраны, пластины Имеющие конечные размеры и закрепленные на краях.
Физический маятник — осциллятор, представляющий собой твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейсяцентром масс этого тела, или неподвижной оси, перпендикулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс этого тела.
Пренебрегая сопротивлением среды, дифференциальное уравнение колебаний физического маятника в поле силы тяжести записывается следующим образом:
.
Полагая , предыдущее уравнение можно переписать в виде:
.
Последнее уравнение аналогично уравнению колебаний математического маятника длиной . Величина называется приведённой длиной физического маятника.
Гармоническое колебание — явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:
или
,
где х — значение изменяющейся величины, t — время, остальные параметры — постоянные: А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний, — полная фаза колебаний, — начальная фаза колебаний.
Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде
Здесь x – смещение тела от положения равновесия, xm – амплитуда колебаний, т. е. максимальное смещение от положения равновесия, ω – циклическая или круговая частота колебаний, t – время. Величина, стоящая под знаком косинуса φ = ωt + φ0 называется фазой гармонического процесса. При t = 0 φ = φ0, поэтому φ0 называют начальной фазой. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T. Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний:
|
Частота колебаний f показывает, сколько колебаний совершается за 1 с. Единица частоты – герц (Гц). Частота колебаний f связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:
|
Затухающие колебания
ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ - колебания с постоянно убывающей со временем амплитудой.
Получим дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний на примере реального пружинного маятника, совершающего колебания в среде с сопротивлением (простейший случай - трение о воздух). Пусть масса маятника m, коэффициент упругости пружины k, сила сопротивления, действующая на маятник, F = - bv, v - скорость маятника, b- коэффициент сопротивления среды, в которой находится маятник. Так как мы рассматриваем только линейные системы, b = const, k = const. x - смещение маятника от положения равновесия.
Второй закон Ньютона в нашем случае запишется так:
Это уравнение и есть дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний пружинного маятника. Его, однако, принято записывать в следующем, так называемом каноническом виде:
- коэффициент затухания, - собственная частота свободных (незатухающих) колебаний пружинного маятника, то, что раньше мы обозначали просто .
Уравнение затухающих колебаний в таком (каноническом) виде описывает затухающие колебания всех линейных систем; конкретная колебательная система отличается только выражениями для и .
Затухающие колебания логарифм. Декремент
ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ - колебания с постоянно убывающей со временем амплитудой.
Логарифмический декремент затухания - безразмерная характеристика затухающих колебаний, измеряемая натуральным логарифмом отношения двух последовательных максимальных отклонений колеблющейся величины в одну и ту же сторону.