background image

Mechanika dla studentów I roku 

Zestaw 6: drgania.

 

 
1)  Drgania – mechaniczny oscylator harmoniczny. 

a)  Rozwa y  mas  m przyczepion  do spr yny o stałej spr ysto ci k, której drugi 

koniec zamocowano do  ciany. Masa mo e  lizga  si  po stole bez tarcia. Jaki ruch 
wykonuje ta masa po wytr ceniu jej z poło enia równowagi? Zapisa  odpowiednie 
równanie ruchu i rozwi za  je (lub poda  rozwi zanie i wykaza ,  e jest ono 
prawdziwe). 

b)  Co zmieni si  w opisie matematycznym sytuacji z poprzedniego zadania, je li 

spr yn  zawiesimy u sufitu zamiast przyczepia  j  do  ciany? Napisa  i rozwi za  
równanie ruchu w tej sytuacji. 

2)  Drgania – wahadło matematyczne. 

Korzystaj c z podstawowego równania dla ruchu obrotowego: 

,

=

L

M



 

wyprowadzi  równanie Newtona dla wahadła matematycznego: 

sin ,

l

g

θ

θ

= −



 

gdzie l jest długo ci  wahadła, a   k tem wychylenia wahadła z poło enia równowagi. 
Wykorzystuj c przybli on , słuszn  dla małych k tów relacj : 

sin

;

θ θ

 

pokaza ,  e okres drga  takiego wahadła dany jest wzorem: 

2

.

l

T

g

π

=

 

Wskazówka: podane powy ej równanie ruchu obrotowego zapisa  w układzie 
biegunowym w płaszczy nie ruchu wahadła OXY dla składowej z-owej momentu p du. 

3)  Drgania – mechaniczny oscylator harmoniczny. 

Masa m = 1 g zawieszona na spr

ynie została wprawiona w drgania harmoniczne 

swobodne o amplitudzie 0,2 mm. Zmierzony okres drga  wynosi T = 10 ms. Obliczy  
stał  spr ysto ci spr

yny k oraz maksymaln  energi  kinetyczn  i potencjaln  

oscylatora. Tarcie pomin . 

4)  Drgania – mechaniczny oscylator harmoniczny. 

Na spr

ynie o stałej spr

ysto ci k = 4 N/m zawieszono mas  m, któr  nast pnie 

wprawiono w drgania harmoniczne swobodne. Zmierzony okres drga  wynosi T = 0,3 s, a 
pr dko  w punkcie równowagi v

0

 = 21 cm/s. Obliczy  mas  m oraz maksymaln  energi  

kinetyczn  i potencjaln  oscylatora. Tarcie pomin . 

5)  Drgania – mechaniczny oscylator harmoniczny. 

Mas  m zawieszono na spr ynie o stałej spr ysto ci k=16 N/m, nast pnie wprawiono w 
drgania harmoniczne swobodne. Zmierzono,  e okres drga  wynosi T=0,15 s, a 
maksymalna warto  pr dko ci to v

0

 = 42 cm/s. Obliczy  mas  m oraz maksymaln  

energi  kinetyczn  i potencjaln  oscylatora. Tarcie pomin . 

6)  Drgania – mechaniczny oscylator harmoniczny. 

W chwili t = 0, wychylenie oscylatora harmonicznego z poło enia równowagi wynosi x(0) 
= 0,25 cm, a jego pr dko  v(0) = –27,2 cm/s. Zmierzona cz sto  drga  to 10 Hz, a ruch 
oscylatora odbywa si  bez tarcia. 
a)  Wyznaczy  stałe w równaniu ruchu tego oscylatora postaci x(t) = A·cos(

0

t + 



0

). 

b)  Wyznaczy  stałe w równaniu ruchu tego oscylatora postaci x(t) = A·sin(



0

t + 



1

). 

background image

c)  Wyznaczy  stałe w równaniu ruchu tego oscylatora postaci x(t) = A

1

·cos(



0

t) + 

A

2

·sin(



0

t). 

7)  Drgania – elektryczny oscylator harmoniczny. 

Zbada , jak zmienia si  nat enie pr du płyn cego w obwodzie LC (szeregowo 
poł czone: indukcyjno  i pojemno ). Przyj  nast puj ce dane liczbowe: 
a)  L=10 H, C=6 

µ

F; 

b)  L=5 H, C=10 nF; 
c)  L=4 H, C=100 pF. 

8)  Drgania – tłumiony oscylator harmoniczny.  

Tłumiony oscylator harmoniczny opisany jest równaniem Newtona: 

( )

( )

( ),

mx t

x t

kx t

γ

= −





 

a)  Pokaza ,  e układ ten posiada rozwi zanie postaci: 

(

)

1

( )

sin

.

t

x t

A

t

e

β

ω ϕ

=

+

 

b)  Pokaza ,  e układ ten posiada rozwi zanie postaci: 

( )

( )

1

2

( )

cos

sin

.

t

x t

A

t

A

t

e

β

ω

ω

=

+

 

c)  Pokaza ,  e układ ten posiada rozwi zanie postaci: 

(

)

( )

cos

.

t

x t

A

t

e

β

ω ϕ

=

+

 

W szczególno ci, wyznaczy  parametry rozwi zania   i 



 jako funkcje cz sto ci własnej 



0

 i czasu relaksacji 



 tego  oscylatora: 

0

,

1

.

k

m

m

ω

γ

τ

=

=

 

Wyrazi  odpowiednie stałe rozwi zania [a) {A



1

},  b) {A

1

A

2

} oraz  c) {A



}] z 

warunków pocz tkowych poło enia [x

0

 = x(0)] i pr dko ci [v

0

 = v(0)] w chwili t = 0 . 

9)  Drgania – oscylator harmoniczny tłumiony i współczynnik dobroci. 

Dla tłumionego oscylatora harmonicznego definiujemy współczynnik dobroci Q 
nast puj cym wzorem: 

energia zmagazynowana

2

2

.

energia tracona w jednym okresie

E

E

Q

PT

P

π

ω

π

=

=

=

 

We wzorze tym, P jest  redni  strat  mocy drgaj cego układu: 

.

d E

P

dt

= −

 

Obliczy   redni  energi  mechaniczn  <E> słabo tłumionego oscylatora harmonicznego 
(dla którego zachodzi 



0



 >> 1) i pokaza ,  e dla takiego oscylatora Q   



0



Literatura: C. Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman, Mechanika, Pa stwowe 
Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1973, strona 242-243. 

10) Drgania – oscylator harmoniczny tłumiony z sił  zewn trzn . 

Masa m = 10

3

 g jest zawieszona na spr ynie o stałej siłowej k = 10

6

 dyn/cm i porusza si  

w o rodku, w którym działa na t  mas  siła tarcia, scharakteryzowana prze współczynnik 
tłumienia 



 = 50 dyn·s/cm. Oprócz tego na mas  działa zewn trzna siła wymuszaj ca F(t

F

0

 cos(



t), gdzie F

0

 = 2,5·10

5

 dyny. Wiedz c,  e ruch masy opisany jest wzorem 

(

)

0

( )

cos

,

x t

x

t

ω ϕ

=

+

 

znale  stałe x

0

 i 



 jako funkcje cz sto ci 



background image

• 

Na podstawie otrzymanych wyników, przy pomocy dowolnego programu (np. Excel, 
Mathematica, Mathcad, Gnuplot) narysowa  wykres zale no ci x

0

(



). Wyniki zostan  

omówione na zaj ciach (prosz  przynie  wydruki!). 

• 

Obliczy  cz sto  rezonansow  

rez

, tj. tak ,  e x

0

(



) osi ga maksimum dla 



 = 



rez

Obliczy  x

0

(



rez

) oraz 



0

(



rez

). 

• 

Obliczy  tzw. szeroko  połówkow  

1/2

 = |



2

 – 



 1

|, gdzie 



2

 i 



1

 s  takimi 

warto ciami cz sto ci,  e x

0

(



1

) =  x

0

(



2

) =  x

0

(



rez

)/2. Porówna  

1/2

 z 



rez

11) Drgania – obwód RLC z napi ciem zewn trznym. 

Obwód elektryczny zawiera poł czone szeregowo opornik R = 1000  , kondensator o 
pojemno ci C = 500 pF i cewk  o indukcyjno ci L = 2 mH. Dodatkowo w obwodzie tym 
znajduje si   ródło siły elektromotorycznej: 

( )

0

( )

cos

,

V t

V

t

ω

=

 

gdzie V

0

 = 120 V. Wiedz c,  e ładunek na okładkach kondensatora opisany jest wzorem 

(

)

0

( )

cos

,

Q t

Q

t

ω ϕ

=

+

 

znale  stałe Q

0

 i 



 jako funkcje cz sto ci 



• 

Na podstawie otrzymanych wyników, przy pomocy dowolnego programu (np. Excel, 
Mathematica, Mathcad, Gnuplot) narysowa  wykresy zale no ci Q

0

(



). Wyniki 

zostan  omówione na zaj ciach (prosz  przynie  wydruki!). 

• 

Obliczy  cz sto  rezonansow  

rez

, tj. tak ,  e Q

0

(



) osi ga maksimum dla 



 = 



rez

Obliczy  Q

0

(



rez

) oraz 



0

(



rez

). 

Obliczy  tzw. szeroko  połówkow  

1/2

 = |



2

 – 



 1

|, gdzie 



2

 i 



1

 s  takimi 

warto ciami cz sto ci,  e x

0

(



1

) =  x

0

(



2

) =  x

0

(



rez

)/2. Porówna  

1/2

 z 



rez

12) Drgania – oscylator harmoniczny tłumiony z sił  zewn trzn . 

Rozwa y  oscylator harmoniczny z tłumieniem, tj. siła tarcia proporcjonaln  do 
pr dko ci. Napisa  równanie ruchu dla przypadku, kiedy dodatkowo na mas  M działa  
b dzie tak e siła wymuszaj ca z cz sto ci  

ω 

(

tzw. cz sto ci  wymuszenia, dla 

odró nienia od 

ω

0

, które jest cz sto ci  własn  układu, czyli drga  swobodnych). Zatem 

całkowita siła działaj ca na ten oscylator dana jest wzorem: 

( )

( )

2

0

0

0

1

cos

cos

,

F

kx

x

F

t

m

x

x

t

γ

ω

ω

α

ω

τ

= − −

+

=

+





 

gdzie 

α

0

 = F

0

/m. Sprawdzi , czy i kiedy funkcja postaci: 

(

)

0

( )

cos

,

x t

x

t

ω ϕ

=

+

 

nadaje si  do opisania zadanego problemu, tzn. jak stałe x

0

 i 

φ

 zale  od stałych 

opisuj cych problem: 

ω, ω

0

, τ, α

0

. Na podstawie otrzymanych wyników, przy pomocy 

dowolnego programu (np. Excel, Mathematica, Mathcad, Gnuplot) narysowa  zale no  
amplitudy x

0

 od stosunku cz sto ci siły wymuszaj cej do cz sto ci własnej układu dla 

kilku ró nych warto ci tłumienia: 

• 

γ 

=0; 

• 

γ 

m

ω

0

/10; 

• 

γ 

m

ω

0

/2; 

• 

γ 

=m

ω

0

gdzie 

α

 nale y potraktowa  jako parametr. Wyniki zostan  omówione na zaj ciach 

(prosz  przynie  wydruki!). Co to jest rezonans i jaka jest w podanych przypadkach 
warto  cz sto ci rezonansowej  



rez

13) Drgania dwuwymiarowe – krzywe Lissajous. 

Drgania dwuwymiarowe cz stki opisane s  równaniami: 

background image

(

)

(

)

0

0

( )

cos

,

( )

cos

.

x

x

y

y

x t

x

t

y t

y

t

ω

ϕ

ω

ϕ

=

+

=

+

 

Narysowa  tory ruchu takiej cz stki przy x

0

 = y

0

, dla nast puj cych przypadków. 

a) 

/

1

1

,

.

0

/ 4

x

y

x

y

ω ω

ϕ ϕ

π

   

=

   

  

 

b) 

/

2

2

,

.

0

/ 4

x

y

x

y

ω ω

ϕ ϕ

π

   

=

   

  

 

c) 

/

3

3

,

.

0

/ 4

x

y

x

y

ω ω

ϕ ϕ

π

   

=

   

  

 

 
Uwagi 

• 

Zadania 1, 2 i  9 s  przeznaczone dla wszystkich grup. 

• 

W zadaniach 6, 7, 8 i 13, z podpunktami a), b) i c), podpunkt a) obowi zuje dla grup 
poniedziałkowych, podpunkt b) dla grup czwartkowych, a podpunkt c) dla grup 
pi tkowych. 

• 

Zadania 3 i 10  przeznaczone s  dla grup poniedziałkowych. 

• 

Zadania 4 i 11 przeznaczone s  dla grup czwartkowych. 

• 

Zadania 5 i 12 przeznaczone s  dla grup pi tkowych. 

  

Prof. dr hab. Jerzy Konior 
Dr Bartłomiej Głowacz 
Dr Andrzej Odrzywołek 
Dr Jakub Prauzner-Bechcicki 
Dr Aleksandra Wro ska