Moduł 10 kursu Ruch drgający: bilans trzech energii dla sprężyny pionowej, energia potencjalna grawitacji wahadła matematycznego h = l(1 − cos α) ≈ x²/(2l) i wyznaczanie prędkości maksymalnej.
Gdy ciało o masie $m$ wisi na pionowej sprężynie, w położeniu równowagi sprężyna jest już wydłużona o $x_0 = \frac{mg}{k}$ (czyli $kx_0 = mg$). Całkowita energia mechaniczna jest sumą trzech składników: energii kinetycznej $E_k$, energii…
W pionowym układzie masa–sprężyna położenie równowagi odpowiada wydłużeniu sprężyny:
Poprawna: a) W równowadze siła sprężystości równoważy ciężar, czyli $kx_0=mg$. Zależność odwrotna $\frac{k}{mg}$ ma odwrócone jednostki i nie spełnia tego warunku.
W wahadle matematycznym o długości $l$ jedyną energią potencjalną jest energia potencjalna grawitacji $E_p = mgh$, gdzie $h$ to wysokość kulki ponad najniższym położeniem (poziomem równowagi).
Dokładna wysokość, na jaką wznosi się kulka wahadła o długości $l$ odchylonego o kąt $\alpha$ od pionu, wynosi:
Poprawna: d) Pionowy odcinek nici nad kulką ma długość $l\cos\alpha$, więc różnica względem najniższego położenia to $l-l\cos\alpha$. Wyrażenie $l\cos\alpha$ jest odległością pionową od zawieszenia, a nie wysokością uniesienia.
W trójkącie prostokątnym pokazanym na symulacji przeciwprostokątną i przyprostokątnymi są odpowiednio:
Poprawna: c) Nić o długości $l$ jest przeciwprostokątną, a przyprostokątne to pionowy odcinek $l-h$ i poziome wychylenie $x$. Wysokość $h$ jest różnicą długości nici, więc nie może być osobną przyprostokątną.
Treść: Zawieszenie ciężarka o masie $m = 0{,}05\text{ kg}$ na pionowej sprężynie spowodowało jej wydłużenie w stanie równowagi o $x_0 = 2\text{ cm} = 0{,}02\text{ m}$ ($g = 9{,}81\text{ m/s}^2$).
Ciężarek $m=0{,}05$ kg zawieszony na sprężynie wydłuża ją o $x_0=0{,}02$ m ($g=9{,}81$ m/s²). Współczynnik sprężystości wynosi około:
Poprawna: b) Z $k=\frac{mg}{x_0}$ dostajemy $\frac{0{,}49}{0{,}02}\approx24{,}5$ N/m. Wartość $4{,}9$ N/m pojawia się przy pominięciu masy w liczniku.