Moduł 03 kursu Ruch drgający: zależności v(t), a(t) i v(x), wartości maksymalne v_max = ωA i a_max = ω²A, przesunięcia fazowe oraz siła zwrotna F = −kx = −mω²x.
W ruchu jednostajnym po okręgu o promieniu $R = A$ punkt ma stałą wartość prędkości liniowej $v_{\max} = \omega A$ (stycznej do okręgu) oraz stałą wartość przyspieszenia dośrodkowego $a_{\max} = \omega^2 A$ (skierowanego zawsze do środka…
Ciało przechodzi przez położenie równowagi. Jakie są wtedy prędkość i przyspieszenie?
Poprawna: d) W równowadze $x = 0$, więc $a = -\omega^2 x = 0$, a prędkość osiąga maksimum $\omega A$. Przyspieszenie maksymalne występuje w punktach zwrotnych, gdzie prędkość jest zerowa.
W wielu zadaniach maturalnych nie znamy czasu $t$, tylko wychylenie $x$ (np. $x = 0{,}6A$ albo $x = \frac{1}{2}A$). Korzystając z jedynki trygonometrycznej $\sin^2\Phi + \cos^2\Phi = 1$, wyznaczamy $\cos\Phi = \pm\sqrt{1 - (x/A)^2}$ i…
Maksymalna prędkość ciężarka wynosi $2{,}0\text{ m/s}$. Jaką prędkość ma on w wychyleniu $x = 0{,}6A$?
Poprawna: c) $|v| = v_{\max}\sqrt{1 - (0{,}6)^2} = 2{,}0 \cdot 0{,}8 = 1{,}6\text{ m/s}$. Wartość $1{,}2\text{ m/s}$ to $0{,}6\,v_{\max}$, czyli zamiana rolami wychylenia i prędkości w trójce pitagorejskiej.
Skoro przyspieszenie w ruchu harmonicznym spełnia zależność $a = -\omega^2 x$, to z II zasady dynamiki Newtona ($F = ma$) wynika natychmiast postać siły wypadkowej, która musi działać na ciało, aby poruszało się ono…
| Położenie ciała | Wychylenie $|x|$ | Wartość prędkości $|v|$ | Przyspieszenie $|a|$ i siła $|F|$ |
|---|---|---|---|
| Położenie równowagi (środek toru) | $0$ (minimum) | $v_{\max} = \omega A$ (maksimum!) | $0$ (siły się równoważą!) |
| Położenie pośrednie ($x = \frac{1}{2}A$) | $\frac{1}{2}A$ | $\frac{\sqrt{3}}{2}\,v_{\max} \approx 0{,}87\,v_{\max}$ | $\frac{1}{2}a_{\max}$ oraz $\frac{1}{2}F_{\max}$ |
| Położenia skrajne (punkty zwrotne) | $A$ (maksimum) | $0$ (chwilowe zatrzymanie!) | $a_{\max} = \omega^2 A$, $F_{\max} = kA$ (maksimum!) |
Ciało o masie $0{,}2\text{ kg}$ drga z $\omega = 5\text{ rad/s}$. W wychyleniu $x = 0{,}1\text{ m}$ wartość siły zwrotnej wynosi:
Poprawna: b) $|F| = m\omega^2|x| = 0{,}2 \cdot 25 \cdot 0{,}1 = 0{,}5\text{ N}$. Wynik $0{,}1\text{ N}$ powstaje z pominięcia kwadratu pulsacji i policzenia samego iloczynu $m x$.
Zatrzymujesz symulację w chwili, gdy wózek mija $x = 0$. Jakie wektory są wtedy widoczne?
Poprawna: a) W równowadze prędkość jest maksymalna, a przyspieszenie zerowe, bo $a = -\omega^2 x$. Układ odwrotny, czyli zerowa prędkość i maksymalne przyspieszenie, występuje w punktach $x = \pm A$.
Treść: Ciężarek o masie $m = 0{,}5\text{ kg}$ wykonuje drgania harmoniczne o amplitudzie $A = 0{,}10\text{ m}$ i okresie $T = \pi\text{ s} \approx 3{,}14\text{ s}$.
Ciężarek o masie $0{,}5\text{ kg}$ drga z $A = 0{,}10\text{ m}$ i $T = \pi\text{ s}$. Maksymalna prędkość wynosi:
Poprawna: d) $\omega = \frac{2\pi}{\pi} = 2\text{ rad/s}$, więc $v_{\max} = \omega A = 0{,}20\text{ m/s}$. Wartość $0{,}40\text{ m/s}$ to maksymalne przyspieszenie z tego samego przykładu, a nie prędkość.