3.1.3 Rychlost a zrychlení haronického pohybu Předpoklady: 312 Kroě dráhy (výchylky) popisujee pohyb i poocí dalších dvou veličin: rychlosti a zrychlení. Jak budou vypadat jejich rovnice? Společný graf výchylky, rychlosti a zrychlení koštěte (naěřené hodnoty) Poloha s osou vlevo rychlost a zrychlení s osou vpravo 2 4 15 3 1 2 5 1 2 4 6 8 1-5 poloha [c] rychlost[c/s] zrychlení[c/s2] -2 5-3 -2-4 Zdá se, že i ostatní pohybové veličiny ají tvar sinusoid, se stejnou frekvencí, ale s jinou výškou a jiný posunutí. Postřeh ověříe na grafu z vypočtených hodnot. Společný graf výchylky, rychlosti a zrychlení koštěte (vypočtené hodnoty) 1
Poloha s osou vlevo rychlost a zrychlení s osou vpravo 2 4 15 3 1 2 5 1 2 4 6 8 1-5 poloha [c] rychlost[c/s] zrychlení[c/s2] -2 5-3 -2-4 Pokud počítáe rychlost a zrychlení z ideálních (vypočtených) hodnot, grafy rychlost i zrychlení se vyhladí a získají tvar dokonalých sinusovek. Kvůli velkéu časovéu úseku při výpočtu jsou v grafu dvě chyby špatný tvar křivek na počátku a alé posunutí po časové ose. Společný graf výchylky, rychlosti a zrychlení koštěte (vypočtené hodnoty opravené) Poloha s osou vlevo rychlost a zrychlení s osou vpravo (všechny hodnoty spočtené) 2 4 15 3 1 2 5 1 2 4 6 8 1-5 poloha [c] rychlost[c/s] zrychlení[c/s2] -2 5-3 -2-4 Rovnice pro výchylku: y = y ( ω t) sin. 2
Hledáe vztah pro okažitou rychlost v = : jiná výška ísto y použijee v, stejná úhlová frekvence, graf začíná v axiální výchylce jako funkce y = cos x, v = v cos ω t. ( ) Hodnota v usí být určena paraetry pohybu y a ω. Větší výchylka, větší frekvence ( kratší perioda) kyvadlo se usí pohybovat rychleji, aby za periodu stačilo udělat kit v = yω. v = y ω cos ω t. Rovnice okažité rychlosti haronického pohybu: ( ) Př. 1: Urči axiální rychlost koštěte a porovnej vypočtenou hodnotu s hodnotou v grafu. Pro výpočet využij hodnoty získané v inulé hodině ( y = 14c, T = s ). 1 1 y = 14c, ω = 2π f = 2π = 2π rad s =,22 rad s T v = yω = 14,22c s = 31c s Vypočtená hodnota odpovídá nejen hodnotá axiální rychlosti vypočtené z ideálních hodnot výchylek, ale i hodnotá vypočtený z původních naěřených hodnot. Hledáe vztah pro okažité zrychlení a = : jiná výška ísto y použijee a, stejná úhlová frekvence, graf jde opačný sěre než graf výchylky jako funkce y = sin x. a = a sin ( ω t) = a sin ( ω t) 2 Hodnota a usí být určena paraetry pohybu v a ω a = vω = yω. Logické: větší axiální rychlost a frekvence ( kratší perioda) kyvadlo usí rychleji ěnit rychlost, aby za periodu stačilo udělat kit. a = y ω 2 sin ω t. Rovnice okažitého zrychlení haronického pohybu: ( ) Př. 2: Urči axiální zrychlení koštěte a porovnej vypočtenou hodnotu s hodnotou v grafu. Pro výpočet využij hodnoty získané v inulé hodině ( y = 14c, T = s ). y = 14c, ω =,22 rad s 2 2-2 -2 a = yω = 14, 22 c s = 6,9c s Vypočtená hodnota odpovídá nejen hodnotá axiálního zrychlení vypočteného z ideálních hodnot výchylek, ale i hodnotá vypočtený z původních naěřených hodnot. Př. 3: Vypočti hodnotu okažité rychlosti a okažitého zrychlení koštěte v 5 s. Spočtené výsledky porovnej s naěřenýi hodnotai. koště: y = 14 c, ω =,22 rad s v5 = yω cos ω t = 14,22 cos, 22 5 =,14c s rychlost: ( ) ( ) 3
Naěřená hodnota v 5 = 7,5c s, vypočtená hodnota odpovídá naěřené hodnotě, koště se nachází téěř v axiální poloze, rychlost by ěla být přibližně nulová. 2 2-2 zrychlení: a5 = yω sin ( ω t) = 14, 22 sin (, 22 5) = 6,9c s -2 Naěřená hodnota a 5 = 6,25c s, vypočtená hodnota odpovídá naěřené hodnotě, koště se nachází téěř v axiální poloze, zrychlení by ělo být přibližně axiální. Pedagogická poznáka: Při průchodu se třídou 4.213 jse získali kvůli rozdílů v zaokrouhlování několik podstatně se lišících výsledků pro rychlost: v5 = yω cos ( ω t) = 14,22 cos (, 22 5) =,14c s ( ω ) ( ) v5 = yω cos t = 14,222 cos, 222 5 = 3, 24c s 2π 2π v5 = yω cos( ω t) = 14 cos 5 3, 27 c s = 28, 3 2π v5 = yω cos( ω t) = 14, 22 cos 5 = 3,24c s 2π v5 = yω cos( ω t) = 14 cos(, 22 5) = 3, 24c s Můžete s žáky rozvinout diskusi o to, proč se stejná íra zaokrouhlení projeví u počáteční rychlosti daleko éně než u úhlové frekvence (počítáe rychlost po téěř dvou periodách a proto se chyba "počítala" dvakrát). Př. 4: 1 Struna na kytaře kitá pokud hrajee tón a s frekvencí 44 Hz. Urči axiální rychlost a axiální zrychlení jejího pohybu, pokud kitá s axiální výchylkou 2. f = 44 Hz, y = 2 =,2 ω = 2π f = 2π 44 = 88π rad s = 2765 rad s v = y ω =,2 2765 s = 5,5 s 2 2-2 -2 a = yω =,2 2765 s = 15 s Hlavně axiální zrychlení dosahuje překvapivé hodnoty, která odpovídá velké frekvenci pohybu (je způsobena velkou silou působící na alou hotnost struny). Př. 5: Popiš slovně, jak se ění okažitá výchylka, okažitá rychlost i okažité zrychlení závaží při jeho kitavé pohybu na pružině. Ve kterých polohách je rychlost závaží axiální? Ve kterých polohách je zrychlení závaží axiální. Zdůvodni i poocí Newtonových pohybových zákonů. Pohyb ůžee rozdělit do čtyř fází. Závaží jde z rovnovážné polohy nahoru: zvětšují se kladné výchylky závaží, rychlost se zenšuje (výsledná síla působící na závaží sěřuje dolů), zrychlení je záporné se zvětšující se hodnotou (pružina se zkracuje a tí se zvětšuje výsledná síla působící na závaží sěre dolů), v axiální kladné výchylce se závaží na okažik zastaví, jeho rychlost se ění s největší záporný zrychlení (pružina je axiálně zkrácena a na závaží působí axiální výsledná síla sěre dolů). 4
Závaží jde z axiální kladné výchylky dolů do rovnovážné polohy: zenšují se kladné výchylky závaží, rychlost á záporné znaénko, její velikost se zvětšuje (výsledná síla působící na závaží sěřuje dolů), zrychlení je záporné se zenšující se hodnotou (pružina se prodlužuje a tí se zenšuje výsledná síla působící na závaží sěre dolů), v rovnovážné poloze je výchylka nulová, rychlost je záporná s největší hodnotou a zrychlení je nulové. Závaží jde z rovnovážné polohy dolů: zvětšují se záporné výchylky závaží, rychlost á záporné znaínko, její velikost se zenšuje (výsledná síla působící na závaží sěřuje nahoru), zrychlení je kladné se zvětšující se hodnotou (pružina se prodlužuje a tí se zvětšuje výsledná síla působící na závaží sěre nahoru), v axiální záporné výchylce se závaží na okažik zastaví, jeho rychlost se ění s největší kladný zrychlení (pružina je axiálně prodloužena a na závaží působí axiální výsledná síla sěre nahoru). Závaží jde z axiální záporné výchylky nahoru do rovnovážné polohy: zenšují se záporné výchylky závaží, rychlost á kladné znaénko, její velikost se zvětšuje (výsledná síla působící na závaží sěřuje nahoru), zrychlení je záporné se zenšující se hodnotou (pružina se zkracuje a tí se zenšuje výsledná síla působící na závaží sěre nahoru), v rovnovážné poloze je výchylka nulová, rychlost je kladná s největší hodnotou a zrychlení je nulové. Maxiální rychlost á závaží vždy při průchodu rovnovážnou polohou. Maxiální zrychlení á závaží vždy v krajních polohách. Shrnutí: Při haronické kitavé pohybu jsou i okažité hodnoty rychlosti a zrychlení popsány poocí funkce sinus. 5