Если бы никакого препятствия в виде стены не было, то уравнения движения маятника для угла и двух его производных от времени выглядело бы так:
φ = Φcosωt (Φ – начальное и максимальное значение угла отклонения) ; φ' = –Φωsinωt ; φ'' = –Φω²cosωt ;
В нашем случае, во время столкновения – всё пойдёт немного не так, но поскольку вне стены маятник предоставлен сам себе, а после упругого столкновения полная энергия, а значит и амплитуда колебаний сохраняется, то вне стены он будет продолжать колебаться как маятник. Уравнение движения в таком случае можно записать так:
φ = Φcosδ ; φ' = –Φωsinδ ; φ'' = –Φω²cosδ ;
Где внутренний гармонический параметр δ – или «фаза» будет уже зависеть от времени не просто линейно, а как-то сложнее. Разберёмся с этим.
До первого столкновения со стенкой колебание не отличается от обычного гармонического, а значит δ = ωt ;
Не указано, как сориентирована стенка, т.е. идёт ли она круто под наклоном, так что свободно мятник на ней просто лежит, или же стенка вообще отвесная, и маятник может висеть рядом с ней вертикально. Так что величина угла столкновения может быть, как Φ/2, так и –Φ/2 (для отвесной стенки):
Итак, когда грузик достигнет стены: φ = ±Φ/2, получаем:
±Φ/2 = Φcosδн ;
cosδн = ±1/2 ;
δн+ = π/3 – фаза начала удара для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
δн– = 2π/3 – фаза начала удара для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания;
После удара об стену, грузик изменит свою угловую скорость φ' – на противоположную, а отклонение φ и ускорение φ'' (определяемое только отклонением φ) останется таким же. При этом произойдёт какой-то скачок «фазы» δ, с фазы начала удара δн до фазы конца удара δк
Учитывая фазу начала удара, получаем фазу окончания удара:
δк+ = –π/3 – фаза окончания удара для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
δк– = –2π/3 – фаза окончания удара для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания;
Рассмотрим первый случай крутой стенки, где фаза при ударе делает скачок от δн+ = π/3 до δк+ = –π/3 .
После скачка фазы с π/3 до –π/3 опять будет происходить обычное колебание до фазы π/3 начала следующего удара.
Есть прекрасная функция, которая монотонно растёт, а потом срывается вниз и опять проходит те же значения каждый отрезок длиной в π. Это функция тангенса. Только она растён НЕ на интервале ( –π/3 ; π/3 ), а на в 1.5 раза более широком. Ок. Сузим интервал внутеренним аргументным коэффициентом и возьмём от этого всего уже не периодический арктангенс. Тогда получится, что: δ = [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ), в самом деле:
От ωt=0 нуля до ωt=π/3 функция δ = [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ) = ωt ,
Затем происходит скачок и [2/3] arctg даёт уже значения фазы на на [2/3] π меньшие, что как раз соответствует необходимому скачку.
Тогда уравнение колебания данной системы можно записать, как:
φ+ = Φcos ( [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ) ) ;
Аналогично можно показать, что для отвесной стены уравнение запишется, как:
φ– = Φcos ( [4/3] arctg tg ( [3/4] ωt ) ) ;
Смотрите иллюстрацию:
Период в обоих случаях определяется внутренней периодической функцией тангенса:
ОТВЕТ:
T+ = π/([3/2]ω) = [2π/3] √[L/g] – для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
T– = π/([3/4]ω) = [4π/3] √[L/g] – для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания.
Зенит (З) нүктесі бакылаушының дәл төбесінде, ал Надир (З) — сфераның қарама-қарсы нүктесінде орналаскан. Осы екі нүктені қосатын түзу вертикаль сызық немесе тік сызық, оған перпендикуляр әрі аспан сферасының орталық нүктесі арқылы өтетін жазықтық математикалық немесе нақты көкжиек жазықтығы деп аталады. Ол аспан сферасын қиып, үлкен дөңгелек (орталығы аспан сферасының орталығымен сәйкес келетін шеңбер мағынасында) — нақты көкжиек (немесе жай ғана көкжиек) түзеді. Көкжиек аспан сферасын кәрінетін және кәрінбейтін екі бөлікке бөледі. Зениттен М шырак аркылы надирге дейін өтетін үлкен дөңгелек шырақ вертикалі деп аталады. Аспан сферасы және шырақтардың тәуліктік айналысы дірние осінің төңірегінде өтеді. Жер өлшемі жұлдыздарға дейінгі қашықтықпен салыстырғанда өте кіші болғандықтан, іс жүзінде дүние осі жер бетіндегі кез келген орын үшін Жер осіне параллель болады. Дүние осінің аспан сферасымен қиылысатын нүктелері аспан сферасының айналысына катыспайды. Сондықтан да олар дуние полюстері деп аталады. Төңірегінде аспан сферасының айналысы (сфераның орталық нүктесінде орналаскан бакылаушы үшін) сағат тілін айналу бағытына кері болатын полюс дүниенің солтүстік полюсі, оған карсы полюс дүниенің оңтүстік полюсі деп аталады. Дүниені солтүстік полюсі маңында (1°-ка жуық қашықтықта) Темірқазық жұлдызы орналасқан.
φ = Φcosωt (Φ – начальное и максимальное значение угла отклонения) ;
φ' = –Φωsinωt ;
φ'' = –Φω²cosωt ;
В нашем случае, во время столкновения – всё пойдёт немного не так, но поскольку вне стены маятник предоставлен сам себе, а после упругого столкновения полная энергия, а значит и амплитуда колебаний сохраняется, то вне стены он будет продолжать колебаться как маятник. Уравнение движения в таком случае можно записать так:
φ = Φcosδ ;
φ' = –Φωsinδ ;
φ'' = –Φω²cosδ ;
Где внутренний гармонический параметр δ – или «фаза» будет уже зависеть от времени не просто линейно, а как-то сложнее. Разберёмся с этим.
До первого столкновения со стенкой колебание не отличается от обычного гармонического, а значит δ = ωt ;
Не указано, как сориентирована стенка, т.е. идёт ли она круто под наклоном, так что свободно мятник на ней просто лежит, или же стенка вообще отвесная, и маятник может висеть рядом с ней вертикально. Так что величина угла столкновения может быть, как Φ/2, так и –Φ/2 (для отвесной стенки):
Итак, когда грузик достигнет стены: φ = ±Φ/2, получаем:
±Φ/2 = Φcosδн ;
cosδн = ±1/2 ;
δн+ = π/3 – фаза начала удара для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
δн– = 2π/3 – фаза начала удара для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания;
После удара об стену, грузик изменит свою угловую скорость φ' – на противоположную, а отклонение φ и ускорение φ'' (определяемое только отклонением φ) останется таким же. При этом произойдёт какой-то скачок «фазы» δ, с фазы начала удара δн до фазы конца удара δк
φ(δк) = φ(δн) ;
φ'(δк)=–φ'(δн) ;
φ''(δк) = φ''(δн) ;
cosδк = cosδн ;
–sinδк = sinδн ;
–cosδк = –cosδн ;
cosδк = cos[–δн] ;
–sinδк = –sin[–δн] ;
δк = –δн ;
Учитывая фазу начала удара, получаем фазу окончания удара:
δк+ = –π/3 – фаза окончания удара для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
δк– = –2π/3 – фаза окончания удара для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания;
Рассмотрим первый случай крутой стенки, где фаза при ударе делает скачок от δн+ = π/3 до δк+ = –π/3 .
После скачка фазы с π/3 до –π/3 опять будет происходить обычное колебание до фазы π/3 начала следующего удара.
Есть прекрасная функция, которая монотонно растёт, а потом срывается вниз и опять проходит те же значения каждый отрезок длиной в π. Это функция тангенса. Только она растён НЕ на интервале ( –π/3 ; π/3 ), а на в 1.5 раза более широком. Ок. Сузим интервал внутеренним аргументным коэффициентом и возьмём от этого всего уже не периодический арктангенс. Тогда получится, что:
δ = [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ), в самом деле:
От ωt=0 нуля до ωt=π/3 функция δ = [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ) = ωt ,
Затем происходит скачок и [2/3] arctg даёт уже значения фазы на на [2/3] π меньшие, что как раз соответствует необходимому скачку.
Тогда уравнение колебания данной системы можно записать, как:
φ+ = Φcos ( [2/3] arctg tg ( [3/2] ωt ) ) ;
Аналогично можно показать, что для отвесной стены уравнение запишется, как:
φ– = Φcos ( [4/3] arctg tg ( [3/4] ωt ) ) ;
Смотрите иллюстрацию:
Период в обоих случаях определяется внутренней периодической функцией тангенса:
ОТВЕТ:
T+ = π/([3/2]ω) = [2π/3] √[L/g] – для крутой стенки, на которой свободный маятник лежит;
T– = π/([3/4]ω) = [4π/3] √[L/g] – для отвесной стенки с возможностью вертикального провисания.
Объяснение:
Зенит (З) нүктесі бакылаушының дәл төбесінде, ал Надир (З) — сфераның қарама-қарсы нүктесінде орналаскан. Осы екі нүктені қосатын түзу вертикаль сызық немесе тік сызық, оған перпендикуляр әрі аспан сферасының орталық нүктесі арқылы өтетін жазықтық математикалық немесе нақты көкжиек жазықтығы деп аталады. Ол аспан сферасын қиып, үлкен дөңгелек (орталығы аспан сферасының орталығымен сәйкес келетін шеңбер мағынасында) — нақты көкжиек (немесе жай ғана көкжиек) түзеді. Көкжиек аспан сферасын кәрінетін және кәрінбейтін екі бөлікке бөледі. Зениттен М шырак аркылы надирге дейін өтетін үлкен дөңгелек шырақ вертикалі деп аталады. Аспан сферасы және шырақтардың тәуліктік айналысы дірние осінің төңірегінде өтеді. Жер өлшемі жұлдыздарға дейінгі қашықтықпен салыстырғанда өте кіші болғандықтан, іс жүзінде дүние осі жер бетіндегі кез келген орын үшін Жер осіне параллель болады. Дүние осінің аспан сферасымен қиылысатын нүктелері аспан сферасының айналысына катыспайды. Сондықтан да олар дуние полюстері деп аталады. Төңірегінде аспан сферасының айналысы (сфераның орталық нүктесінде орналаскан бакылаушы үшін) сағат тілін айналу бағытына кері болатын полюс дүниенің солтүстік полюсі, оған карсы полюс дүниенің оңтүстік полюсі деп аталады. Дүниені солтүстік полюсі маңында (1°-ка жуық қашықтықта) Темірқазық жұлдызы орналасқан.