Re: [力學] 如何確認單擺角度"必"<5度?

作者: BaBi (迅雷不及掩耳盜鈴)   2012-10-12 19:34:18
※ 引述《lirick42 (卡賓depon)》之銘言:
: 請問一下,是否有什麼方式可以確認單擺的角度必<5度的方式??
: 雖然有找過許多資料,但是似乎都只有講為何要<5度~
: 那是否有方法可以確認單擺的角度是<5度呢??
----------------- 定為零位能處(U = 0)
│↖
│ ↖
│θ ↖ 繩張力 T
繩長 L │ ↖
│ ●
│ ↓ 重力 mg
│ ↓

(平衡位置)
(1)首先建立運動方程式(Equation of Motion)
[ 法一 ] 採受力分析,以牛頓運動定律列關係式
By Newton's 2nd Law
- ( mg )( sinθ ) = ( m )( L )( θ'' )
then θ'' + ( g/L )( sinθ ) = 0
此非 Simple Harmonic Motion
[ 法二 ] 採能量分析,以力學能守恆列其關係式
ΣE = ΣK + ΣU
2
= ( 1/2 )( m )( Lθ') + ( -mg )( L )( cosθ )
By The Law of Conservation Of Mechanical Energy
(過程中僅受重力作用,非保守之繩張力恆為法線力,
       法線力作功為0。)
E' = 0 then we have
( m )( L )( θ' )[ ( L )( θ'' ) + ( g )( sinθ ) ] = 0
then θ'' + ( g/L )( sinθ ) = 0
此非 Simple Harmonic Motion
(二)討論與求解此一微分方程
上述方程並不滿足簡諧運動之型式,
但若當 θ-> 0 時,由極限概念可知 sinθ -> θ
此時有 θ'' + ( g/L )( θ ) = 0
滿足 Simple Harmonic Motion
_______
且知自然角頻率 Wn = √( g/L )
_______
所以 T = ( 2pi/Wn ) = 2pi √( L/g )
-----
由上述運動方程式可得知,
只有在角度極小時,單擺運動才滿足簡諧運動型式,
你所說的 5 度僅僅是「大部分人可接受的誤差值」
畢竟就算是小度小至 0.001 ,只要沒有上面的近似關係,
也不會滿足簡諧。
作者: TaiBeiGuo (台北國)   0000-00-00 00:00:00
彩色圖耶
作者: Sumino (DreamBreaker)   2012-03-26 09:15:00
推專業彩圖XD

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