Moduł 05 kursu Ruch drgający: prawo Hooke’a, współczynnik sprężystości k, okres drgań masy na sprężynie T = 2π√(m/k), drgania pionowe i wydłużenie statyczne x₀ = mg/k.
Rozważmy ciężarek o masie $m$ ślizgający się bez tarcia po poziomej powierzchni na lekkiej sprężynie. Aby odkształcić sprężynę o odcinek $x$, musimy działać siłą zewnętrzną $F_{\text{zew}} = kx$.
Sprężynę o współczynniku sprężystości $k = 40\ \text{N/m}$ rozciągnięto o $x = 0{,}10\ \text{m}$. Jakiej wartości siły zewnętrznej wymagało to rozciągnięcie?
Poprawna: a) Z prawa Hooke’a $F = kx = 40\ \text{N/m} \cdot 0{,}10\ \text{m} = 4\ \text{N}$. Odpowiedź $0{,}4\ \text{N}$ powstaje z podzielenia $k$ przez $x$ zamiast pomnożenia.
Co się zmienia, gdy tę samą sprężynę powiesimy pionowo? Po zawieszeniu ciężarka o masie $m$ sprężyna rozciąga się o pewien odcinek $x_0$ (nazywany wydłużeniem statycznym ), aż w nowym położeniu równowagi siła sprężystości zrównoważy ciężar:
Ciężarek o masie $m$ wisi nieruchomo na pionowej sprężynie, która wydłużyła się o $x_0$. Który wzór pozwala najszybciej obliczyć okres jego drgań?
Poprawna: d) Z warunku równowagi $mg = kx_0$ dostajemy $m/k = x_0/g$, więc $T = 2\pi\sqrt{x_0/g}$. Wzór z $g/x_0$ ma odwrócony ułamek i daje zupełnie inną wartość.
W symulacji zwiększasz masę $m$ przy stałym $k$. Jak zmieniają się wydłużenie statyczne $x_0$ i okres $T$?
Poprawna: c) $x_0 = mg/k$ rośnie liniowo z masą, a $T = 2\pi\sqrt{m/k}$ rośnie jak pierwiastek z masy. Wariant a poprawnie opisuje okres, ale błędnie zakłada, że wydłużenie statyczne nie zależy od masy.
Treść: Na pionowej nieważkiej sprężynie zawieszono klocek o masie $m = 0{,}20\text{ kg}$, co spowodowało wydłużenie sprężyny w stanie równowagi o $x_0 = 5\text{ cm} = 0{,}05\text{ m}$.
Ciężarek $m = 0{,}20\ \text{kg}$ zawieszony na pionowej sprężynie wydłuża ją w równowadze o $x_0 = 5\ \text{cm}$ ($g = 9{,}81\ \text{m/s}^2$). Okres małych drgań wynosi około:
Poprawna: b) $T = 2\pi\sqrt{x_0/g} = 2\pi\sqrt{0{,}05/9{,}81} \approx 0{,}45\ \text{s}$. Wartość $0{,}14\ \text{s}$ to sam pierwiastek $\sqrt{x_0/g}$ bez czynnika $2\pi$.