Re: [力学] 如何确认单摆角度"必"<5度?

楼主: BaBi (迅雷不及掩耳盗铃)   2012-10-12 19:34:18
※ 引述《lirick42 (卡宾depon)》之铭言:
: 请问一下,是否有什么方式可以确认单摆的角度必<5度的方式??
: 虽然有找过许多资料,但是似乎都只有讲为何要<5度~
: 那是否有方法可以确认单摆的角度是<5度呢??
----------------- 定为零位能处(U = 0)
│↖
│ ↖
│θ ↖ 绳张力 T
绳长 L │ ↖
│ ●
│ ↓ 重力 mg
│ ↓

(平衡位置)
(1)首先建立运动方程式(Equation of Motion)
[ 法一 ] 采受力分析,以牛顿运动定律列关系式
By Newton's 2nd Law
- ( mg )( sinθ ) = ( m )( L )( θ'' )
then θ'' + ( g/L )( sinθ ) = 0
此非 Simple Harmonic Motion
[ 法二 ] 采能量分析,以力学能守恒列其关系式
ΣE = ΣK + ΣU
2
= ( 1/2 )( m )( Lθ') + ( -mg )( L )( cosθ )
By The Law of Conservation Of Mechanical Energy
(过程中仅受重力作用,非保守之绳张力恒为法线力,
       法线力作功为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)讨论与求解此一微分方程
上述方程并不满足简谐运动之型式,
但若当 θ-> 0 时,由极限概念可知 sinθ -> θ
此时有 θ'' + ( g/L )( θ ) = 0
满足 Simple Harmonic Motion
_______
且知自然角频率 Wn = √( g/L )
_______
所以 T = ( 2pi/Wn ) = 2pi √( L/g )
-----
由上述运动方程式可得知,
只有在角度极小时,单摆运动才满足简谐运动型式,
你所说的 5 度仅仅是“大部分人可接受的误差值”
毕竟就算是小度小至 0.001 ,只要没有上面的近似关系,
也不会满足简谐。
作者: TaiBeiGuo (台北国)   0000-00-00 00:00:00
彩色图耶
作者: Sumino (DreamBreaker)   2012-03-26 09:15:00
推专业彩图XD

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