מטוטלת ותדר עצמי

stam0123

New member
מטוטלת ותדר עצמי

מטוטלת עשויה מסה הקשורה למוט דק וקל. המוט תלוי כך שהוא יכול להתנדנד בחופשיות ללא חיכוך משמעותי. מוט המטוטלת תלוי מקצה של בוכנה היכולה לזוז ימינה ושמאלה. מבצעים מספר ניסויים נפרדים עם אותה המטוטלת: ניסוי 1 - הבוכנה איננה זזה לאורך כל הניסוי. נותנים מכה למסה שבקצה המוט. לאחר המכה, המסה מתנדנדת באופן חופשי בתדירות של 0.5 הרץ. כעבור שעה מפליטודת התנודה קטנה ב-90%. ניסוי 2 - הבוכנה מתחילה להתנדנד בתנודה הרמונית ימינה ושמאלה באמפליטודה קטנה מאוד (ביחס לאורך המוט). הבוכנה מתנדנדת בתדירות f2=0.5 הרץ ובאמפליטודה של 0.5 ס"מ. כעבור כשעה מתנדנדת המסה בתנודה הרמונית בעלת אמפליטודה אופקית 20 ס"מ. ניסוי 3 - הבוכנה מתנדנדת בתדירות f3=2f2. הבוכנה מתנדנדת באמפליטודה של 0.5 ס"מ. כעבור כשעה המטוטלת מתנדנדת בתנודה הרמונית. האם המשפט הבא נכון ולמה: בניסוי 3 כשעה לאחר תחילת התנודה של הבוכנה, המסה מתנדנדת בתדירות 0.5 הרץ. התשובה שנתנו לשאלה - זה לא יכול להיות, כי לאחר כשעה של נדנוד אין כמעט זכר לנדנוד של המטוטלת, ולכן תדירות הנדנוד תהיה בהתאם לתדירות הבוכנה המאלצת.. לא הבנתי כמה דברים: למה המשפט אינו נכון, שכן בדרך כלל ישנו ריסון לתדירויות שאינן תדר עצמי, ולכן הייתי מצפה שהתדירות היחידה שתשאר בסופו של דבר היא התדר העצמי של המטוטלת...ודווקא זו דועכת ונשארת התדירות של הבוכנה?? בניסוי 3 - כשהבוכנה מתנדנדת - האם המטוטלת מתנדנדת בתנודה הרמונית? למה טרחו לציין שכעבור שעה המטוטלת מתנדנדת בתנודה הרמונית? מה זה אומר שהבוכנה מתנדנדת באמפליטודה של 0.5 ס"מ - למה זה חשוב לי? תודה לעונים!
 

johngalt2

New member
תשובה

המטרה של הניסוי הראשון היא למצוא את התדירות העצמית ואת גורם הריסון של המטוטלת. המטרה של הניסוי השני היא למצוא את התגובה של המטוטלת לעירור בתדר תהודה. בניסוי השלישי מעוררים את המטוטלת מחוץ לתדר התהודה שלה. בכל מקרה, התשובה היא שהתדירות steady state של המטוטלת תהיה תמיד התדירות של הכוח המאלץ. ניתן לראות את זה מכיוון מתמטי: המשוואה הדיפרנציאלית שמתארת את תנועת המטוטלת היא ליניארית סדר 2 ולא הומוגנית. הפתרון שלה מורכב לכן מסכום של פתרון הומוגני ופתרון פרטי. כאשר פותרים את המשוואה רואים מיד שהפתרון ההומוגני גווע עם הזמן, וכמובן שהפתרון steady state נשאר תמיד, והתדירות שלו היא בדיוק התדירות של הכוח המאלץ. כאן ניתן למצוא פתרון של המשוואה: http://en.wikipedia.org/wiki/Harmonic_oscillator#Universal_oscillator_equation
 
למעלה