Форум сайта alsak.ru

Задачи и вопросы по физике => Колебания и волны => Механические => : Fiz 29 January 2011, 17:19

: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 29 January 2011, 17:19
Чему равно отношение кинетической энергии точки,
совершающей гармонические колебания, к ее потенциальной энергии для
момента времени t = T/12, где Т – период колебаний.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 29 January 2011, 18:38
Ответ задачи зависит от начальной фазы колебаний. Есть ли в условии что-нибудь про начальную фазу?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 29 January 2011, 19:49
это всё условие, про начальную фазу ничего не сказано, единственно только отличается величина фаз энергий на \[ \frac{\pi}{2} \].

: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 29 January 2011, 20:59
единственно только отличается величина фаз энергий на \[ \frac{\pi}{2} \].
Не понял. А это откуда вы взяли? В условии про это ничего нет.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 29 January 2011, 21:39
это по определению и формулам
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 07:08
это по определению и формулам

Вы прогрессируете на глазах.  :o

Если никто вам не поможет, вечером выложу решение.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 17:46
Уравнение гармонического колебания материальной точки имеет вид

x = A⋅sin (ω⋅t + φ0),

где А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний. Считаем, по  умолчанию, что начальная фаза колебаний φ0 = 0. Тогда

x = A⋅sin ω⋅t,
υ = x' = A⋅ω⋅cos ω⋅t,

где υ — скорость точки (скорость равна первой производной от координаты).

Кинетическая энергия материальной точки равна
 
\[ W_{k} = \frac{m \cdot \upsilon^{2}}{2} = \frac{m}{2} \cdot \left(A \cdot \omega \cdot \cos \omega \cdot t \right)^{2}. \]

1 способ. Потенциальная энергия равна

Wp = W – Wk,

где W — полная механическая энергия системы, равная
 
\[ W = \frac{m \cdot \upsilon_{\max}^{2}}{2} = \frac{m \cdot \left(A \cdot \omega \right)^{2}}{2}. \]

Тогда
 
\[ W_{p} = \frac{m \cdot \left(A \cdot \omega \right)^{2}}{2} - \frac{m}{2} \cdot \left(A \cdot \omega \cdot \cos \omega \cdot t \right)^{2} = \]

\[ = \frac{m \cdot \left(A \cdot \omega \right)^{2}}{2} \left(1 - \cos^{2} \omega \cdot t \right) = \frac{m \cdot A^{2} \cdot \omega^{2}}{2} \cdot \sin^{2} \omega \cdot t. \]

2 способ. Потенциальная энергия равна
 
\[ W_{p} = \frac{k \cdot x^{2}}{2} = \frac{k}{2} \cdot \left(A \cdot \sin \omega \cdot t \right)^{2}.
 \]

Коэффициент жесткости колебательной системы найдем следующим образом:
 
\[ \omega = \sqrt{\frac{k}{m}}, \, \, \, k = m \cdot \omega^{2}. \]


В итоге получаем
 
\[ \frac{W_{k}}{W_{p}} = \frac{m \cdot \left(A \cdot \omega \cdot \cos \omega \cdot t \right)^{2}}{2} \cdot \frac{2}{m \cdot \omega^{2} \cdot \left(A \cdot \sin \omega \cdot t \right)^{2}} = ctg^{2} \omega \cdot t. \]

Так как ω = 2π/T и t = T/12, то
 
\[ \frac{W_{k}}{W_{p}} = ctg^{2} \frac{2 \pi}{T} \cdot \frac{T}{12} = ctg^{2} \frac{\pi}{6} = 3. \]
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 17:55
Извините меня пожалуйста, но у меня есть вопросы по решению)))

Почему в первом выражении синус, а не косинус?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 18:46
sin или cos писать в уравнении гармонического колебания зависит от начальных условий (начальной фазы) колебаний. В условии ничего про начальные условия не сказано, поэтому я предположил, что колебания происходят по закону sin и "считаем, по  умолчанию, что начальная фаза колебаний φ0 = 0".
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 18:51
Объясните пожалуйста формулу для потенциальной энергии

А если учесть, что \[ t=0 \], тогда как решать и такой ли ответ мы получим?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 19:14
Потенциальная энергия деформированного тела
 
\[ W_{p} = \frac{k \cdot \Delta l^{2}}{2}, \]

где Δl -  удлинение системы (например, пружины).
Так как мы выбрали колебания, которые происходят по закону sin с начальной фазой равной нулю, то, следовательно, точка в начальный момент времени находилась в положении равновесия (Δl = 0). И при таком выборе начальных условий Δl = x.

Если не вводить потенциальную энергию деформированного тела, то потенциальную энергию можно найти через разность полной энергии и кинетической. Полную энергию можно найти через максимальную скорость.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 19:17
Ответ зависит от времени. В момент времени t = 0 потенциальная энергия будет равна нулю. Отношение энергий будет стремиться в бесконечность.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 19:20
Вот если решать задачу при \[ t=0 \], какой результат мы получим, используя это начальное условие, напишите пожалуйста решение подробно, мне это очень нужно)))

Спасибо!
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 19:26
Вот если решать задачу при \[ t=0 \], какой результат мы получим, используя это начальное условие, напишите пожалуйста решение подробно, мне это очень нужно)))

Это не начальное условие. Начальное условие должно быть задано примерно так: "в момент времени t = 0 (или в начальный момент времени) тело находилось в положении равновесия". Мое решение и дается для этого начального условия.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 19:28
То есть Вы хотите сказать, что если \[ \phi=0 \], то и \[ t=0 \]?

А почему, какова тут логика?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 19:46
То есть Вы хотите сказать, что если \[ \phi=0 \], то и \[ t=0 \]?
Где вы такое вычитали? Я писал так:
Уравнение гармонического колебания материальной точки имеет вид
x = A⋅sin (ω⋅t + φ0)
… Считаем, по  умолчанию, что начальная фаза колебаний φ0 = 0.
Начальное условие должно быть задано примерно так: "в момент времени t = 0 (или в начальный момент времени) тело находилось в положении равновесия". Мое решение и дается для этого начального условия.
Почему так? Найдем значение начальной фазы для данного начального условия.
Так как «в момент времени t = 0 тело находилось в положении равновесия», то при t = 0 координата x = 0. Решим уравнение
0 = A⋅sin (ω⋅0 + φ0) = A⋅sin (φ0) или φ0 = 0
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 19:50
То есть по-другому эту задачу не решишь)))

Правильно я понял?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 20:00
То есть по-другому эту задачу не решишь)))
Правильно я понял?
По другому - это другие способы решения? У этой задачи могут быть и другие решения. Но для выбранных мною начальных условий ответ будет тот же.
Или вы имеете в виду начальные условия? Еще раз повторяю, условие вашей задачи не полное, нет начальных условий. Если задать другие начальные условия (например, в начальный момент времени тело отклонилось на максимальное положение), то решение и ответ будут другими.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 20:03
если
ф0=0, то x= Xmax* sin wt ЧАСТИЦА САМА ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕ ВЫЙДЕТ!!! и колебательное движение совершать не будет!!
Когда ПО ЗАКОНУ КОСИНУСА БУДЕТ ДВИГАТЬСЯ!!!Тогда только выйдет из положения равновесия
Я прав?

Без комментариев.
Предлагаю вам удалить эту запись и не позориться.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 20:03
Вы не ответили на мой вопрос)))я прав?

А может эту задачу нужно решать в общем виде, раз не заданы начальные условия?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 30 January 2011, 20:04
если
ф0=0, то x= Xmax* sin wt ЧАСТИЦА САМА ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕ ВЫЙДЕТ!!! и колебательное движение совершать не будет!!
Когда ПО ЗАКОНУ КОСИНУСА БУДЕТ ДВИГАТЬСЯ!!!Тогда только выйдет из положения равновесия
Я прав?

Без комментариев.
Предлагаю вам удалить эту запись и не позориться.

Это неправильно написано, почему Вы так написали?
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 20:07
Вы не ответили на мой вопрос)))я прав?


А здесь (http://www.web-physics.ru/smf/index.php/topic,3486.msg9706.html#msg9706) я, по вашему, просто учился печать?

Чтобы решить эту задачу в общем виде без начальных условий, надо перебрать все множество этих начальных условий. Это будет целая книга решений. Если у вас есть желание - делайте.
Или оставить в ответе начальную фазу.

: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 30 January 2011, 20:35
если
ф0=0, то x= Xmax* sin wt ЧАСТИЦА САМА ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕ ВЫЙДЕТ!!! и колебательное движение совершать не будет!!
Когда ПО ЗАКОНУ КОСИНУСА БУДЕТ ДВИГАТЬСЯ!!!Тогда только выйдет из положения равновесия
Я прав?

Без комментариев.
Предлагаю вам удалить эту запись и не позориться.

Это неправильно написано, почему Вы так написали?

Тело движется под действием внутренних сил. Например, математический маятник совершает колебания под действием сил тяжести и сил натяжения, пружинный — под действием силы тяжести и силу упругости. И чтобы начать эти колебания, необходимо было сообщить системе первоначальную энергию (вывести ее из положения равновесия).
Мы рассматриваем идеальные, гармонические колебания, которые бесконечны во времени. Начальный момент времени — это не начало колебаний, это момент, когда мы включаем прибор для измерения времени, например, секундомер. По каким законам (sin или cos) описывать колебания зависит от того, где тело находилось, когда мы включаем секундомер и какую мы выберем начальную фазу.
Поэтому включение секундомера никак не может сделать так, что «ЧАСТИЦА САМА ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕ ВЫЙДЕТ!!!» или выйдет. Частица уже движется и будет продолжать двигаться бесконечно.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 01:04
Здравствуйте!

Но Вы по-моему неправильно решили задачу, ответ должен быть \[ \frac{1}{3} \], а не \[ {3} \].

: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 02 February 2011, 06:41
ответ должен быть \[ \frac{1}{3} \], а не \[ {3} \].
К вашей контрольной есть ответы? К моему решению, с моими начальными условиями, ответ 3.
Ответ 1/3 получится, если начальная фаза π/2 или колебания происходят по закону cos. Поэтому решите вначале вопрос с начальными условиями.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 13:35
У меня нет ответа к задачам, это институтская контрольная работа, начальные условия не заданы)))
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 16:37
Пожалуйста, я очень Вас прошу, а можно рисунок к этой задаче, мне он очень нужен, плиззззз, пожалуйста, если можно со всеми обозначениями величин, я Вас очень прошу)))
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 17:04
К вашей контрольной есть ответы? К моему решению, с моими начальными условиями, ответ 3.
Ответ 1/3 получится, если начальная фаза π/2 или колебания происходят по закону cos. Поэтому решите вначале вопрос с начальными условиями.

А как бы было наиболее правильно и верно?
Объясните пожалуйста?
Спасибо!
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 02 February 2011, 17:06
а можно рисунок к этой задаче, мне он очень нужен,

К этой задаче рисунок для решения не нужен.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 02 February 2011, 18:05
За повтор сообщений вы получили еще один минус. Третий минус будет последний для вас.

А как бы было наиболее правильно и верно?

Это знает ваш преподаватель.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 18:10
Да в методичке необходимо изображать рисунки (чертежи) к каждой задачи)))
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 02 February 2011, 18:14
Я так не считаю, поэтому делать никакого рисунка не буду. Если найдутся желающие вам помочь, пожалуйста.
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 02 February 2011, 18:17
Вы из принципа, дайте пожалуйста мне тогда какие-нибудь рекомендации, я сам попробую начертить)))

Спасибо!
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: Fiz 11 February 2011, 01:01
\[ x(t)=x_0cos(\frac{{2}{\pi}{t}}{T})+\frac{v_0Tsin(\frac{{2}{\pi}{t}}{T})}{({2}{\pi})} \]

ну дальше составляем выражение для кинетической и потенциальной энергий, подставляем \[ \frac{T}{12} \] вместо \[ {t} \], делаем тождественные преобразования и получаем

\[ \frac{({4}{\pi}^2{x_0}^2-{4}{\pi}{x_0}{v_0}{T}{sqrt(3)}+{3}{v_0}^2{T}^2)}{({12}{\pi}^2{x_0}^2+ {4}{\pi}{x_0}{v_0}{T}{sqrt(3)}+{v_0}^2{T}^2)} \]
: Re: Отношение кинетической энергии к потенциальной
: alsak 11 February 2011, 06:22
Это вы для чего написали?