Максимальная потенциальная энергия пружинного маятника массой m = 10 г, совершающего вынужденные колебания, (Wп)max = 100 мкДж. Определите частоту внешней периодической силы, действующей на груз маятника, если он колеблется с резонансной частотой. Амплитуда колебаний xmax = 4,5 см.
от

1 Ответ

дано:  
m = 10 г = 0,01 кг (масса маятника)  
(Wп)max = 100 мкДж = 100 * 10^(-6) Дж = 0,0001 Дж (максимальная потенциальная энергия)  
xmax = 4,5 см = 0,045 м (амплитуда колебаний)

найти:  
частоту внешней периодической силы f.

решение:  
Максимальная потенциальная энергия пружинного маятника определяется по формуле:  
(Wп)max = (1/2) * k * xmax²,  
где k — жесткость пружины.

Сначала найдем жесткость пружины k:  
k = (2 * (Wп)max) / xmax².  

Подставим известные значения:  
k = (2 * 0,0001) / (0,045)².  

Сначала вычислим (0,045)²:  
(0,045)² = 0,002025.  

Теперь подставим это значение:  
k = (0,0002) / 0,002025 ≈ 0,0988 Н/м.

Собственная частота колебаний пружинного маятника определяется по формуле:  
ω0 = √(k/m).  

Теперь подставим найденное значение жесткости и массу:  
ω0 = √(0,0988 / 0,01) = √(9,88) ≈ 3,14 рад/с.

Частота f связана с циклической частотой ω0 следующим образом:  
f = ω0 / (2π).  

Теперь подставим значение ω0:  
f = 3,14 / (2 * π) ≈ 0,5 Гц.

ответ:  
Частота внешней периодической силы, действующей на груз маятника, составляет примерно 0,5 Гц.
от