علوم وفضاء

نابض رأسي: لماذا تزيد الجاذبية الاستطالة ولا تغيّر الدور؟

موضعا اتزان لنابض رأسي
الاستطالة من الطول الطبيعي.

نابض رأسي: قارن موضع اتزانه بزمن دورة كاملة حوله. [1]

الخلاصة السريعة

عند مضاعفة g في المثال، تتضاعف استطالة الاتزان ويبقى الدور نحو 0.628s. [1][2]

  • كتلة m>0 على نابض رأسي خطي عديم الكتلة، ثابت k>0؛ طرفه الأعلى مثبت. لا تخميد؛ مجال جاذبية منتظم ثابت بكل حالة، والسعة ضمن المجال الخطي. [1]
  • نختار الأسفل موجبًا؛ y استطالة من الطول الطبيعي، وy0 استطالة الاتزان، وx=y−y0 إزاحة عنه، بالمتر. m بالكيلوغرام، k بوحدة N/m، وg بوحدة m/s². [1][2]
  • في الاتزان ky0=mg، فتكون y0=mg/k. تغيير g مع ثبات m,k يغير y0؛ لا يغير كتلة الجسم أو ثابت النابض المفترض. [1][2]
  • محصلة القوة F=mg−ky=−kx؛ إذن ẍ=−(k/m)x، حيث ẍ التسارع. الدور T=2π√(m/k) بالثواني، بلا g؛ نقيس الحركة من الاتزان الجديد. [1][2]
  • افتراضيًا m=0.5kg، k=50N/m: عند g=10m/s² تكون y0=0.10m، وعند g=20m/s² تكون y0=0.20m. في الحالتين ω=10rad/s وT≈0.628s؛ ω التردد الزاوي. [1][2]
  • نحرر كل حالة من السكون عند x=+0.02m؛ y(t)=y0+0.02cos(10t)، والزمن t بالثواني. السعة 0.02m عن الاتزان، لا تساوي استطالة الاتزان. [2]

شروط المقارنة

كتلة m>0 على نابض رأسي خطي عديم الكتلة، ثابت k>0؛ طرفه الأعلى مثبت. لا تخميد؛ مجال جاذبية منتظم ثابت بكل حالة، والسعة ضمن المجال الخطي. [1]

مرجعان مختلفان

نختار الأسفل موجبًا؛ y استطالة من الطول الطبيعي، وy0 استطالة الاتزان، وx=y−y0 إزاحة عنه، بالمتر. m بالكيلوغرام، k بوحدة N/m، وg بوحدة m/s². [1][2]

موضع الاتزان

في الاتزان ky0=mg، فتكون y0=mg/k. تغيير g مع ثبات m,k يغير y0؛ لا يغير كتلة الجسم أو ثابت النابض المفترض. [1][2]

المحصلة والدور

محصلة القوة F=mg−ky=−kx؛ إذن ẍ=−(k/m)x، حيث ẍ التسارع. الدور T=2π√(m/k) بالثواني، بلا g؛ نقيس الحركة من الاتزان الجديد. [1][2]

عوض y=y0+x: F=mg−k(y0+x)؛ وبما أن ky0=mg يبقى F=−kx. [2]

ضاعف الجاذبية

افتراضيًا m=0.5kg، k=50N/m: عند g=10m/s² تكون y0=0.10m، وعند g=20m/s² تكون y0=0.20m. في الحالتين ω=10rad/s وT≈0.628s؛ ω التردد الزاوي. [1][2]

الاستطالتان: 0.5×10/50=0.10m و0.5×20/50=0.20m. الدور: 2π√(0.5/50)=2π×0.1s. [1]

منحنيان بدور واحد
استطالة متغيرة حول اتزانين.

قارن الحركة حول الاتزان

نحرر كل حالة من السكون عند x=+0.02m؛ y(t)=y0+0.02cos(10t)، والزمن t بالثواني. السعة 0.02m عن الاتزان، لا تساوي استطالة الاتزان. [2]

المراجع

  1. الحركة التوافقية
  2. معادلة الكتلة والنابض

قانون هوك

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