علوم وفضاء

خطأ تقدير الجاذبية بالبندول: كيف تؤثر السعة؟

فترة البندول وانحياز تقدير الجاذبية
حساب مفترض عند سعة ستين درجة.

خطأ تقدير الجاذبية بالبندول: اختر النموذج المناسب للسعة. [1]

الخلاصة السريعة

السعة الكبيرة تطيل زمن الدورة؛ إدخاله في قانون الزوايا الصغيرة يعطي تقديرًا أقل للجاذبية. [2]

  • نموذج مفترض: كتلة نقطية وخيط خفيف لا يتمدد، بطول L>0 من التعليق إلى الكتلة، وجاذبية ثابتة g>0. نحرر البندول من السكون بسعة زاوية θ0، من الرأسي للأسفل، بلا تخميد أو دفع. T زمن دورة كاملة. [1]
  • المعادلة θ̈=−(g/L)sinθ. للزوايا الصغيرة بالراديان نستبدل sinθ≈θ فنحصل على T0=2π√(L/g). T0 حد السعة المتناهية الصغر؛ ليس فترة دقيقة لكل زاوية. الكتلة تلغى من المعادلة المثالية. [1]
  • ليبقى الخيط مشدودًا عند التحرير نختار 0<θ0<π/2؛ مثالنا θ0=π/3. نعرف k=sin(θ0/2)، وK(k)=∫₀^(π/2)du/√(1−k²sin²u). التكامل الإهليلجي يعطي T=4√(L/g)K(k). u متغير تكامل، وθ وθ0 بالراديان. [2]
  • إذا حسبنا تقدير الجاذبية g_app=4π²L/T² من زمن واسع السعة، وبتعريف r=T/T0، نستنتج g_app/g=1/r². زيادة الفترة تجعل التقدير أصغر؛ لا تعني أن الجاذبية الفعلية تغيرت. [1]
  • مثال حسابي L=1m وg=10m/s² وθ0=60°=π/3: k=0.5 وK(k)≈1.685750؛ T0≈1.986918s وT≈2.132324s. بالتكامل العددي نجد r≈1.073182، أي أن الفترة أطول بنحو 7.32%. الأرقام ليست قياسًا ميدانيًا. [2]
  • للمثال نفسه g_app≈8.682669m/s²؛ الانخفاض النسبي 100(1−g_app/g)≈13.17%. لا يساوي نسبة زيادة الفترة أو خطأ تقريب الجيب. m متر وs ثانية؛ θ̈ تسارع زاوي. نفترض طولًا وجاذبية معلومين، ونحسب انحياز النموذج وحده دون أخطاء التوقيت. [1]

ثبت نموذج البندول

نموذج مفترض: كتلة نقطية وخيط خفيف لا يتمدد، بطول L>0 من التعليق إلى الكتلة، وجاذبية ثابتة g>0. نحرر البندول من السكون بسعة زاوية θ0، من الرأسي للأسفل، بلا تخميد أو دفع. T زمن دورة كاملة. [1]

ميز الحد الصغير

المعادلة θ̈=−(g/L)sinθ. للزوايا الصغيرة بالراديان نستبدل sinθ≈θ فنحصل على T0=2π√(L/g). T0 حد السعة المتناهية الصغر؛ ليس فترة دقيقة لكل زاوية. الكتلة تلغى من المعادلة المثالية. [1]

احسب الفترة خارج التقريب

ليبقى الخيط مشدودًا عند التحرير نختار 0<θ0<π/2؛ مثالنا θ0=π/3. نعرف k=sin(θ0/2)، وK(k)=∫₀^(π/2)du/√(1−k²sin²u). التكامل الإهليلجي يعطي T=4√(L/g)K(k). u متغير تكامل، وθ وθ0 بالراديان. [2]

افحص صيغة تقدير الجاذبية

إذا حسبنا تقدير الجاذبية g_app=4π²L/T² من زمن واسع السعة، وبتعريف r=T/T0، نستنتج g_app/g=1/r². زيادة الفترة تجعل التقدير أصغر؛ لا تعني أن الجاذبية الفعلية تغيرت. [1]

عوض سعة ستين درجة

مثال حسابي L=1m وg=10m/s² وθ0=60°=π/3: k=0.5 وK(k)≈1.685750؛ T0≈1.986918s وT≈2.132324s. بالتكامل العددي نجد r≈1.073182، أي أن الفترة أطول بنحو 7.32%. الأرقام ليست قياسًا ميدانيًا. [2]

بندول بسعة ستين درجة من الرأسي
رسم توضيحي؛ الطول ليس بمقياس أمتار الشاشة.

فسر الانحياز والوحدات

للمثال نفسه g_app≈8.682669m/s²؛ الانخفاض النسبي 100(1−g_app/g)≈13.17%. لا يساوي نسبة زيادة الفترة أو خطأ تقريب الجيب. m متر وs ثانية؛ θ̈ تسارع زاوي. نفترض طولًا وجاذبية معلومين، ونحسب انحياز النموذج وحده دون أخطاء التوقيت. [1]

المراجع

  1. البندول وتقريب الزوايا الصغيرة
  2. الفترة والتكامل الإهليلجي

شروط قانون الزمن الدوري

أُعدّ هذا المقال بمساعدة الذكاء الاصطناعي، وخضع لمراجعة ذاتية بالأداة نفسها. لا يُنسب إلى مراجع بشري أو خبير مستقل. منهجية المحتوى.