Geheimnisse des Pendels. Archiv der Kategorie: Pendel Welche Kräfte wirken auf ein mathematisches Pendel?

Die Pendel in Abb. 2, sind ausgedehnte Körper verschiedener Formen und Größen, die um einen Aufhängungs- oder Stützpunkt oszillieren. Solche Systeme nennt man physikalische Pendel. In einem Gleichgewichtszustand, wenn der Schwerpunkt senkrecht unter dem Aufhängungs- (oder Stützpunkt) liegt, wird die Schwerkraft (durch die elastischen Kräfte des verformten Pendels) durch die Reaktion der Stütze ausgeglichen. Beim Abweichen von der Gleichgewichtslage bestimmen Gravitation und elastische Kräfte zu jedem Zeitpunkt die Winkelbeschleunigung des Pendels, d.h. die Art seiner Bewegung (Schwingung). Am einfachsten Beispiel des sogenannten mathematischen Pendels, einem kleinen Gewicht, das an einem langen, dünnen Faden aufgehängt ist, betrachten wir nun die Dynamik von Schwingungen näher.

Bei einem mathematischen Pendel können wir die Masse des Fadens und die Deformation des Gewichts vernachlässigen, d.h. wir können annehmen, dass die Masse des Pendels im Gewicht konzentriert ist und die elastischen Kräfte im betrachteten Faden konzentriert sind nicht erweiterbar. Betrachten wir nun unter dem Einfluss welcher Kräfte unser Pendel schwingt, nachdem es auf irgendeine Weise (durch Stoß, Auslenkung) aus dem Gleichgewicht gebracht wurde.

Wenn das Pendel in Ruhe in der Gleichgewichtslage ist, wird die auf sein Gewicht wirkende und senkrecht nach unten gerichtete Schwerkraft durch die Spannung im Faden ausgeglichen. In der ausgelenkten Position (Abb. 15) wirkt die Schwerkraft schräg zur entlang des Fadens gerichteten Spannkraft. Wir zerlegen die Schwerkraft in zwei Komponenten: in Fadenrichtung () und senkrecht dazu (). Wenn das Pendel schwingt, übersteigt die Spannkraft des Fadens die Komponente geringfügig - um den Wert der Zentripetalkraft, wodurch sich die Last in einem Bogen bewegt. Die Komponente ist immer auf die Gleichgewichtslage gerichtet; sie scheint bestrebt zu sein, diese Position wiederherzustellen. Daher wird sie auch oft als Rückstellkraft bezeichnet. Der Modul ist umso größer, je mehr das Pendel ausgelenkt wird.

Reis. 15. Die Rückstellkraft, wenn das Pendel von der Gleichgewichtslage abweicht

Sobald also das Pendel bei seinen Schwingungen von der Gleichgewichtslage abzuweichen beginnt, etwa nach rechts, tritt eine Kraft auf, die seine Bewegung um so mehr verlangsamt, je weiter es ausgelenkt wird. Letztendlich wird diese Kraft ihn stoppen und ihn zurück in die Gleichgewichtsposition ziehen. Wenn wir uns jedoch dieser Position nähern, wird die Kraft immer geringer und geht in der Gleichgewichtsposition selbst gegen Null. Das Pendel durchläuft also die Gleichgewichtslage durch Trägheit. Sobald es nach links abzuweichen beginnt, tritt wieder eine Kraft auf, die mit zunehmender Abweichung wächst, jetzt aber nach rechts gerichtet ist. Die Bewegung nach links wird wieder langsamer, dann stoppt das Pendel für einen Moment, danach beginnt die beschleunigte Bewegung nach rechts usw.

Was passiert mit der Energie eines Pendels, wenn es schwingt?

Zweimal während der Periode – bei den größten Abweichungen nach links und rechts – bleibt das Pendel stehen, d.h. in diesen Momenten ist die Geschwindigkeit Null, was bedeutet, dass auch die kinetische Energie Null ist. Aber genau in diesen Momenten wird der Schwerpunkt des Pendels angehoben höchste Höhe und daher ist die potentielle Energie am größten. Im Gegensatz dazu ist in den Momenten des Durchgangs durch die Gleichgewichtsposition die potentielle Energie am kleinsten und die Geschwindigkeit und kinetische Energie erreichen den maximalen Wert.

Wir nehmen an, dass die Reibungskräfte des Pendels an der Luft und die Reibung am Aufhängepunkt vernachlässigt werden können. Diese maximale kinetische Energie ist dann nach dem Energieerhaltungssatz genau gleich dem Überschuss der potentiellen Energie in der Position der größten Abweichung über die potentielle Energie in der Gleichgewichtsposition.

Wenn also das Pendel schwingt, findet ein periodischer Übergang von kinetischer Energie in potentielle Energie und umgekehrt statt, und die Periode dieses Vorgangs ist halb so lang wie die Schwingungsperiode des Pendels selbst. Die Gesamtenergie des Pendels (die Summe aus potentieller und kinetischer Energie) ist jedoch die ganze Zeit konstant. Sie ist gleich der Energie, die dem Pendel beim Start verliehen wurde, egal ob in Form von potentieller Energie (Anfangsauslenkung) oder in Form von kinetischer Energie (Anfangsschub).

Dies gilt für alle Schwingungen ohne Reibung oder andere Vorgänge, die dem schwingenden System Energie entziehen oder ihm Energie zuführen. Deshalb bleibt die Amplitude unverändert und wird durch die anfängliche Abweichung oder die Kraft des Stoßes bestimmt.

Die gleichen Änderungen der Rückstellkraft und den gleichen Energieübergang erhalten wir, wenn wir die Kugel nicht an einem Faden aufhängen, sondern in einer Kugelschale oder in einer am Umfang gekrümmten Rinne in einer senkrechten Ebene rollen lassen. In diesem Fall wird die Rolle der Fadenspannung durch den Druck der Wände des Bechers oder der Mulde übernommen (auch hier vernachlässigen wir die Reibung der Kugel an den Wänden und an der Luft).

Ein mathematisches Pendel ist ein Modell eines gewöhnlichen Pendels. Ein mathematisches Pendel ist ein materieller Punkt, der an einem langen, schwerelosen und nicht dehnbaren Faden aufgehängt ist.

Bringen Sie den Ball aus dem Gleichgewicht und lassen Sie ihn los. Auf den Ball wirken zwei Kräfte: Schwerkraft und Spannung in der Saite. Wenn sich das Pendel bewegt, wirkt immer noch die Kraft der Luftreibung auf es. Aber wir werden es als sehr klein betrachten.

Lassen Sie uns die Schwerkraft in zwei Komponenten zerlegen: die entlang des Fadens gerichtete Kraft und die Kraft, die senkrecht zur Tangente an die Flugbahn der Kugel gerichtet ist.

Diese beiden Kräfte addieren sich zur Schwerkraft. Die elastischen Kräfte des Fadens und die Gewichtskomponente Fn teilen der Kugel mit Zentripetalbeschleunigung. Die Arbeit dieser Kräfte ist gleich Null und ändert daher nur die Richtung des Geschwindigkeitsvektors. Zu jedem Zeitpunkt wird es den Bogen des Kreises tangieren.

Unter der Wirkung der Gravitationskomponente Fτ bewegt sich die Kugel entlang eines Kreisbogens mit einer im Absolutwert zunehmenden Geschwindigkeit. Der Betrag dieser Kraft ändert sich immer betragsmäßig, beim Durchlaufen der Gleichgewichtslage ist sie gleich Null.

Dynamik der Schwingungsbewegung

Bewegungsgleichung eines Körpers, der unter Einwirkung einer elastischen Kraft schwingt.

Allgemeine Bewegungsgleichung:

Schwingungen im System treten unter der Wirkung der elastischen Kraft auf, die nach dem Hookeschen Gesetz direkt proportional zur Verschiebung der Last ist

Dann nimmt die Bewegungsgleichung der Kugel folgende Form an:

Teilen Sie diese Gleichung durch m, erhalten wir die folgende Formel:

Und da die Masse und der Elastizitätskoeffizient konstante Werte sind, ist auch das Verhältnis (-k / m) konstant. Wir haben eine Gleichung erhalten, die die Schwingungen eines Körpers unter Einwirkung einer elastischen Kraft beschreibt.

Die Projektion der Beschleunigung des Körpers ist direkt proportional zu seiner Koordinate, genommen mit dem entgegengesetzten Vorzeichen.

Die Bewegungsgleichung eines mathematischen Pendels

Die Bewegungsgleichung eines mathematischen Pendels wird durch die folgende Formel beschrieben:

Diese Gleichung hat die gleiche Form wie die Gleichung für die Bewegung einer Last auf einer Feder. Folglich erfolgen die Schwingungen des Pendels und die Bewegung der Kugel auf der Feder in gleicher Weise.

Die Verschiebung der Kugel auf der Feder und die Verschiebung des Pendelkörpers aus der Gleichgewichtslage ändern sich mit der Zeit nach denselben Gesetzmäßigkeiten.

Mathematisches Pendel- Dies ist ein materieller Punkt, der an einem schwerelosen und nicht dehnbaren Faden aufgehängt ist, der sich im Gravitationsfeld der Erde befindet. Ein mathematisches Pendel ist ein idealisiertes Modell, das ein reales Pendel nur unter bestimmten Bedingungen korrekt beschreibt. Ein echtes Pendel kann als mathematisch betrachtet werden, wenn die Länge des Fadens viel größer ist als die Abmessungen des daran aufgehängten Körpers, die Masse des Fadens im Vergleich zur Masse des Körpers vernachlässigbar ist und die Verformungen des Fadens so gering sind dass sie ganz vernachlässigt werden können.

Das schwingende System besteht in diesem Fall aus einem Faden, einem daran befestigten Körper und der Erde, ohne die dieses System nicht als Pendel dienen könnte.

wo a X Beschleunigung, g - Erdbeschleunigung, X- Versatz, l ist die Länge der Pendelschnur.

Diese Gleichung heißt die Gleichung der freien Schwingungen eines mathematischen Pendels. Sie beschreibt die betrachteten Schwingungen nur dann korrekt, wenn folgende Annahmen erfüllt sind:

2) Es werden nur kleine Schwingungen eines Pendels mit kleinem Schwenkwinkel betrachtet.

Freie Schwingungen beliebiger Systeme werden in allen Fällen durch ähnliche Gleichungen beschrieben.

Die Gründe für die freien Schwingungen eines mathematischen Pendels sind:

1. Die Wirkung der Zugkraft und der Schwerkraft auf das Pendel, die dessen Verschiebung aus der Gleichgewichtslage verhindern und es zum erneuten Fallen zwingen.

2. Die Trägheit des Pendels, aufgrund derer es unter Beibehaltung seiner Geschwindigkeit nicht in der Gleichgewichtsposition anhält, sondern diese weiter durchläuft.

Die Periode der freien Schwingungen eines mathematischen Pendels

Die Periode der freien Schwingungen eines mathematischen Pendels hängt nicht von seiner Masse ab, sondern wird nur durch die Länge des Fadens und die Beschleunigung des freien Falls an der Stelle bestimmt, an der sich das Pendel befindet.

Energieumwandlung bei harmonischen Schwingungen

Bei harmonischen Schwingungen eines Federpendels wird die potentielle Energie eines elastisch verformten Körpers in seine kinetische Energie umgewandelt, wo k Elastizitätskoeffizient, X - Pendelwegmodul aus der Gleichgewichtslage, m- die Masse des Pendels, v- seine Geschwindigkeit. Gemäß der Gleichung harmonischer Schwingungen:

, .

Die Gesamtenergie des Federpendels:

.

Gesamtenergie für ein mathematisches Pendel:

Im Falle eines mathematischen Pendels

Energieumwandlungen bei Schwingungen eines Federpendels erfolgen nach dem Erhaltungssatz der mechanischen Energie ( ). Wenn sich das Pendel von der Gleichgewichtsposition nach oben oder unten bewegt, nimmt seine potentielle Energie zu und seine kinetische Energie ab. Wenn das Pendel die Gleichgewichtslage passiert ( X= 0), seine potentielle Energie ist gleich Null und die kinetische Energie des Pendels hat den größten Wert, gleich seiner Gesamtenergie.

Bei freien Schwingungen des Pendels wird also seine potentielle Energie in kinetische, kinetische in potentielle, potentielle dann wieder in kinetische umgewandelt usw. Die gesamte mechanische Energie bleibt aber unverändert.

Erzwungene Schwingungen. Resonanz.

Schwingungen, die unter Einwirkung einer äußeren periodischen Kraft auftreten, werden als bezeichnet erzwungene Schwingungen. Eine externe periodische Kraft, Antriebskraft genannt, verleiht dem Schwingungssystem zusätzliche Energie, die verwendet wird, um Energieverluste aufgrund von Reibung wieder aufzufüllen. Ändert sich die Antriebskraft zeitlich nach dem Sinus- oder Cosinusgesetz, so sind die erzwungenen Schwingungen harmonisch und ungedämpft.

Im Gegensatz zu freien Schwingungen, bei denen das System nur einmal Energie erhält (wenn das System aus dem Gleichgewicht gebracht wird), absorbiert das System bei erzwungenen Schwingungen diese Energie kontinuierlich von einer Quelle externer periodischer Kraft. Diese Energie gleicht die zur Überwindung der Reibung aufgewendeten Verluste und damit die Gesamtenergie aus schwingendes System Nein bleibt unverändert.

Die Frequenz der erzwungenen Schwingungen ist gleich der Frequenz der Antriebskraft. Wenn die Frequenz der treibenden Kraft υ mit der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems übereinstimmt υ 0 , die Amplitude der erzwungenen Schwingungen nimmt stark zu - Resonanz. Resonanz tritt auf, weil υ = υ 0 Die externe Kraft, die im Takt mit freien Schwingungen wirkt, ist immer gleichgerichtet mit der Geschwindigkeit des schwingenden Körpers und leistet positive Arbeit: Die Energie des schwingenden Körpers nimmt zu und die Amplitude seiner Schwingungen wird groß. Diagramm der Abhängigkeit der Amplitude von erzwungenen Schwingungen SONDERN t von der Frequenz der Antriebskraft υ Wie in der Abbildung gezeigt, wird dieser Graph als Resonanzkurve bezeichnet:

Das Phänomen der Resonanz spielt eine wichtige Rolle in einer Reihe natürlicher, wissenschaftlicher und industrieller Prozesse. Beispielsweise muss das Resonanzphänomen beim Entwurf von Brücken, Gebäuden und anderen Bauwerken berücksichtigt werden, die unter Last Schwingungen ausgesetzt sind, da diese Bauwerke sonst unter bestimmten Bedingungen zerstört werden können.

Mathematisches Pendel namens materieller Punkt an einem schwerelosen und nicht dehnbaren Faden aufgehängt, der an der Aufhängung befestigt ist und sich im Feld der Schwerkraft (oder einer anderen Kraft) befindet.

Wir untersuchen die Schwingungen eines mathematischen Pendels in einem inertialen Bezugssystem, relativ zu dem der Punkt seiner Aufhängung ruht oder sich gleichförmig geradlinig bewegt. Wir vernachlässigen die Kraft des Luftwiderstands (ein ideales mathematisches Pendel). Das Pendel ruht zunächst in der Gleichgewichtslage C. Dabei kompensieren sich die auf es wirkende Schwerkraft und die Elastizitätskraft F?ynp des Fadens gegenseitig.

Wir bringen das Pendel aus der Gleichgewichtslage (durch Auslenkung zB in Position A) und lassen es ohne Anfangsgeschwindigkeit los (Abb. 1). In diesem Fall gleichen sich die Kräfte und nicht aus. Die tangentiale Komponente der Schwerkraft, die auf das Pendel wirkt, verleiht ihm eine tangentiale Beschleunigung a?? (die Komponente der Gesamtbeschleunigung, die entlang der Tangente an die Flugbahn des mathematischen Pendels gerichtet ist), und das Pendel beginnt, sich mit zunehmender absoluter Geschwindigkeit in Richtung der Gleichgewichtsposition zu bewegen. Die tangentiale Komponente der Schwerkraft ist somit die Rückstellkraft. Die Normalkomponente der Schwerkraft richtet sich entlang des Fadens gegen die elastische Kraft. Die resultierende Kraft und die Normalbeschleunigung des Pendels, die die Richtung des Geschwindigkeitsvektors ändert, und das Pendel bewegt sich entlang des Bogens ABCD.

Je näher sich das Pendel der Gleichgewichtslage C nähert, desto kleiner wird der Wert der Tangentialkomponente. In der Gleichgewichtsposition ist es gleich Null, und die Geschwindigkeit erreicht ihren Maximalwert, und das Pendel bewegt sich durch Trägheit weiter und steigt entlang des Bogens nach oben. In diesem Fall ist die Komponente gegen die Drehzahl gerichtet. Mit zunehmendem Auslenkungswinkel a nimmt der Kraftmodul zu und der Geschwindigkeitsmodul ab, und im Punkt D wird die Geschwindigkeit des Pendels gleich Null. Das Pendel stoppt für einen Moment und beginnt dann, sich in die entgegengesetzte Richtung zur Gleichgewichtsposition zu bewegen. Nachdem das Pendel es durch Trägheit wieder passiert hat, wird es langsamer und erreicht Punkt A (keine Reibung), d.h. macht Vollgas. Danach wird die Bewegung des Pendels in der bereits beschriebenen Reihenfolge wiederholt.

Wir erhalten eine Gleichung, die die freien Schwingungen eines mathematischen Pendels beschreibt.

Das Pendel befinde sich zu einem gegebenen Zeitpunkt am Punkt B. Seine Verschiebung S von der Gleichgewichtslage zu diesem Zeitpunkt ist gleich der Länge des Bogens CB (d. h. S = |CB|). Bezeichnen wir die Länge des Aufhängungsfadens mit l und die Masse des Pendels mit m.

Abbildung 1 zeigt, wo . Bei kleinen Winkeln ()Pendelauslenkung also

Das Minuszeichen in dieser Formel wird gesetzt, weil die tangentiale Komponente der Schwerkraft in Richtung der Gleichgewichtsposition gerichtet ist und die Verschiebung von der Gleichgewichtsposition aus gezählt wird.

Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz. Wir projizieren die Vektorgrößen dieser Gleichung auf die Richtung der Tangente an die Bahn des mathematischen Pendels

Aus diesen Gleichungen erhalten wir

Dynamische Bewegungsgleichung eines mathematischen Pendels. Die Tangentialbeschleunigung eines mathematischen Pendels ist proportional zu seiner Auslenkung und auf die Gleichgewichtslage gerichtet. Diese Gleichung kann geschrieben werden als

Vergleichen Sie es mit der Gleichung der harmonischen Schwingungen , können wir daraus schließen, dass das mathematische Pendel harmonische Schwingungen. Und da die betrachteten Schwingungen des Pendels nur unter Einwirkung innerer Kräfte auftraten, handelte es sich um freie Schwingungen des Pendels. Folglich sind freie Schwingungen eines mathematischen Pendels mit kleinen Abweichungen harmonisch.

Bezeichnen

Zyklusfrequenz von Pendelschwingungen.

Die Schwingungsdauer des Pendels. Somit,

Dieser Ausdruck wird als Huygens-Formel bezeichnet. Sie bestimmt die Periode der freien Schwingungen des mathematischen Pendels. Aus der Formel folgt, dass bei kleinen Abweichungswinkeln von der Gleichgewichtslage die Schwingungsdauer des mathematischen Pendels:

  1. hängt nicht von seiner Masse und Schwingungsamplitude ab;
  2. proportional zur Quadratwurzel der Pendellänge und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Freifallbeschleunigung.

Dies steht im Einklang mit den experimentellen Gesetzen kleiner Schwingungen eines mathematischen Pendels, die von G. Galileo entdeckt wurden.

Wir betonen, dass diese Formel verwendet werden kann, um den Zeitraum zu berechnen, wenn zwei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

  1. Pendelschwingungen sollten klein sein;
  2. der Aufhängepunkt des Pendels muss in Ruhe sein oder sich gleichförmig geradlinig relativ dazu bewegen Trägheitssystem Referenz, in der es sich befindet.

Bewegt sich der Aufhängepunkt eines mathematischen Pendels mit Beschleunigung, so ändert sich die Spannkraft des Fadens, was zu einer Änderung der Rückstellkraft und damit der Schwingungsfrequenz und -dauer führt. Wie Berechnungen zeigen, kann die Schwingungsdauer des Pendels in diesem Fall durch die Formel berechnet werden

wo ist die "effektive" Beschleunigung des Pendels in einem nicht trägen Bezugssystem. Er ist gleich der geometrischen Summe aus der Erdbeschleunigung und dem dem Vektor entgegengesetzten Vektor, d.h. es kann mit der Formel berechnet werden

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Was ist ein Pendel? Aus was ist es gemacht? Ein Pendel ist ein frei beweglicher Körper, der an einem Faden befestigt ist. In den Händen des Meisters singt selbst ein einfaches Rohr wie eine Nachtigall. Auch in den Händen eines talentierten Biomeisters hat das Pendel unglaubliche Auswirkungen auf die Sphäre des Seins und der menschlichen Existenz.

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Sowohl sie als auch die Patienten sind mit den Ergebnissen zufrieden. Seit zwei Jahren nimmt sie weder Aspirin noch Pentalgin, und das Pendel erlaubt ihr manchmal, einen Sud aus Weiden- oder Quittenblättern zu trinken, bei leichten Kopfschmerzen.
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Das Pendel wurde verwendet und wird immer noch von fast allen verwendet berühmte Menschen in Mesopotamien, Assyrien, Urartu, Indien, China, Japan, in antikes Rom, Ägypten, Griechenland, Asien, Afrika, Amerika, Europa, der Osten und auf der ganzen Welt viele Länder.
Denn viele Prominente internationale Institutionen, prominente Personen verschiedene Bereiche Die Wissenschaften haben die Wirkung und den Zweck des Pendels zugunsten des Zusammenlebens der Menschheit noch nicht ausreichend gewürdigt umgebende Natur symbiotisch und harmonisch. Die pseudowissenschaftlichen Ansichten über das Universum des Universellen Normalen auf der Ebene der modernen Naturwissenschaften haben die Menschheit noch nicht vollständig verlassen. Zwischen Religion, Esoterik und Naturwissenschaft gibt es eine Phase der Auslöschung der Wissensgrenze. Natürlich sollte die Naturwissenschaft ohne Seitenblicke zur Grundlage aller Grundlagenwissenschaften werden.
Es besteht die Hoffnung, dass neben der Informationswissenschaft auch die Wissenschaft des Pendels einen würdigen Platz im Leben der Menschen einnehmen wird. Schließlich gab es eine Zeit, in der die Führer unseres multinationalen Landes die Kybernetik zu einer Pseudowissenschaft erklärten und es nicht erlaubten, nicht nur zu studieren, sondern sich auch damit zu beschäftigen Bildungsinstitutionen.
Und jetzt auf höchstem Niveau moderne Wissenschaft Sie blicken hinter die Idee eines Pendels wie auf eine rückständige Industrie. Es ist notwendig, das Pendel, die Wünschelrute und den Rahmen unter einem einzigen Abschnitt der Informatik zu systematisieren, und es ist notwendig, ein Computerprogrammmodul zu erstellen.
Mit Hilfe dieses Moduls kann jede Person fehlende Dinge finden, Objekte lokalisieren und schließlich Menschen, Tiere, Vögel, Insekten, im Allgemeinen die ganze Natur diagnostizieren.
Dazu müssen Sie die Ideen von L. G. Puchko zur multidimensionalen Medizin und die Arbeit des Hellsehers Geller sowie die Ideen des bulgarischen Heilers Kanaliev und die Arbeit vieler anderer Menschen studieren, die mit Hilfe der erstaunliche Ergebnisse erzielt haben Pendel.

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