彈簧大家一定不陌生
和金屬絲或者其他材質的繩子比,彈簧有什麼特征呢?
和金屬絲相比,彈簧在彎曲方面有更好的韌性和彈性形變極限
并且彈簧不像繩子那樣松散,能夠将力很好地傳遞到其每一個位置
所以彈簧在很多教學實驗就是老師的好幫手啦!
今天我們來玩點更有意思的
實驗器材
所标杯、彈簧、手套、所徽
實驗過程
首先,我們來做一個複習:
将所徽挂在彈簧一端
(相比于彈簧,所徽質量可以忽略不計)
讓其在平面内擺動
這時可以将彈簧近似地看作一個複擺
複擺運動的周期和等效長度呈正相關
随着彈簧長度增加,随着轉動慣量的增加,
往複周期就增加了
如果我們将兩個垂直平面内的往複運動疊加起來
就可以合成一個圓周運動
這個圓周運動有一個角速度下限
這個下限和形成圓周運動之前的擺動頻率有關
但是在此之上我們可以試着讓它轉的更快
相對的彈簧也會“飄“得更高
複習完畢,那我們開始玩起來
:
捏住彈簧的一端
使其旋轉
不僅可以得到上圖中簡單的圓周運動
還可以得到和駐波類似的運動
達成這個駐波的最小角速度條件
和彈簧在特定長度擺動的固有頻率有關
大家可以猜一猜這個長度占彈簧總長度的比值是多少?
(讓我看看機智的小夥伴在哪裡
)
同樣的,在形成“駐波“之後
如果我們加速旋轉
彈簧整體也會擡升
轉動的手感還是很不錯的
和平面内的駐波比,旋轉起來的“駐波”更加穩定
大家也可以嘗試一下隻在一個方向上振動
結果會發現很難将擺動控制在一個平面内
彈簧會自然地開始轉動起來
那麼,能不能讓彈簧出現更多的波節呢?
我們可以先嘗試找到使其穩定振動的頻率
首先找到彈簧的1/5處(想想為什麼?)
輕輕搖動一下
靜下心來感受它的振動
然後以相同的頻率抖動彈簧
就可以成功的激發出更多的波節
看,這樣旋轉的彈簧像不像随音樂起舞的蛇?
原理解說
(1)關于複擺
在小角度下複擺的周期公式為:
其中I為彈簧繞着支點(手)的轉動慣量
小角度下不考慮彈簧的形變的話
所以在小角度時振動周期的平方正比于彈簧長度
随着擺動角度和彈簧長度的增大,周期公式以及轉動慣量都會發生變化,但是整體上還是呈正相關的。
(2)關于複擺運動與圓周運動
在小角度時複擺近似地做簡諧運動,而在正交的兩個方向上,相位差為π/2的兩個簡諧運動可以合成為一個圓周運動。大家可以參考這樣一對參數方程:
當然了,随着圓周運動的角速度提高,整個系統就不能夠用由複擺近似的簡諧運動合成。此時圓周運動是以彈簧的離心力、重力和彈簧内部的拉力共同作用下平衡的。當然,由于彈簧在甩動時呈一條曲線,若想得到完整的表達式需要做一些微積分的計算。當然我們可以定性地去分析,随着圓周運動的角速度提高,彈簧受到的離心力必然是增大的,其與重力的合力與垂直軸的夾角也會變大,彈簧整體也就“浮起來“了。
(3)關于駐波
我們之前提到了兩個簡諧運動可以合成一個圓周運動,那麼反過來也是一樣,我們可以将旋轉的彈簧投影到平面上,讓它分解成兩個平面波。彈簧在手這一端是固定住的,在另一端是不固定的,所以形成駐波就是中學時我們學到的管内一端開一端閉的模式。那麼形成的前兩階駐波示意圖就如下:
這也是我們找到駐波最靠近彈簧末端的位置分别為1/3以及1/5的原因啦~
編輯:荔枝
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