Moduł 07 kursu Ruch drgający: rozkład sił w wahadle matematycznym, przybliżenie małych kątów, wzór Huygensa T = 2π√(l/g), izochronizm i doświadczalne wyznaczanie przyspieszenia grawitacyjnego g.
Gdy odchylimy wahadło o kąt $\alpha$ od pionu, na kulkę o masie $m$ działają dwie siły: pionowo w dół siła ciężkości $\vec{F}_g = m\vec{g}$ oraz wzdłuż nici siła naciągu $\vec{F}_n$. Rozłóżmy ciężar $mg$ na dwa kierunki:
Która składowa siły ciężkości pełni rolę siły zwrotnej w ruchu wahadła matematycznego?
Poprawna: d) To składowa styczna ściąga kulkę do najniższego punktu, a jej wartość to $mg\sin\alpha$. Składowa wzdłuż nici tylko napina nić i razem z naciągiem daje siłę dośrodkową, więc nie zawraca kulki.
Z wyprowadzonego wzoru $T = 2\pi\sqrt{l/g}$ wynikają trzy fundamentalne wnioski maturalne:
Zegar wahadłowy umieszczono w windzie, która rusza w górę ze stałym przyspieszeniem $a_w$. W czasie przyspieszania:
Poprawna: c) W windzie przyspieszającej w górę efektywne przyspieszenie wynosi $g_{\text{ef}} = g + a_w$, więc $T = 2\pi\sqrt{l/(g+a_w)}$ maleje i zegar odmierza czas szybciej. Wariant b myli kierunek zmiany $g_{\text{ef}}$.
W symulacji przenosisz wahadło o tej samej długości z Ziemi na Księżyc, gdzie $g \approx 1{,}62\ \text{m/s}^2$. Okres wahań:
Poprawna: b) $T \propto 1/\sqrt{g}$, więc dla $g$ około 6 razy mniejszego okres rośnie $\sqrt{6} \approx 2{,}45$ razy. Sześciokrotny wzrost to zapomnienie pierwiastka we wzorze.
Treść: Kulkę o masie $m = 0{,}50\text{ kg}$ zawieszono na lekkiej nici o długości $l = 1{,}5\text{ m}$ ($g = 9{,}81\text{ m/s}^2$). Oblicz okres małych drgań tego wahadła oraz wartość składowej stycznej siły wypadkowej $F_s$ w chwili, gdy…
Kulkę zawieszono na nici o długości $l = 1{,}5\ \text{m}$ ($g = 9{,}81\ \text{m/s}^2$). Okres małych drgań wynosi około:
Poprawna: a) $T = 2\pi\sqrt{1{,}5/9{,}81} \approx 2\pi \cdot 0{,}391 \approx 2{,}46\ \text{s}$. Wartość $1{,}23\ \text{s}$ powstaje z użycia $\pi$ zamiast $2\pi$.