Давайте пошагово решим задачу, чтобы понять все ее составляющие.
Исходные данные:
- Масса груза, \( m = 30\,кг \)
- Жёсткость пружины, \( k = 480\,Н/м \)
- Амплитуда колебаний, \( A = 20\,см = 0,2\,м \)
1. Найдём период колебаний \( T \):
Формула периода для гармонических колебаний на пружине: \[ T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}} \]
Подставляем значения: \[ T = 2\pi \sqrt{\frac{30}{480}} \]
Рассчитаем корень: \[ \frac{30}{480} = 0,0625 \]
Теперь: \[ T = 2\pi \sqrt{0,0625} = 2\pi \times 0,25 = 0,5\pi \approx 1,57\,с \]
Ответ: \(\boxed{T \approx 1,57\,с}\)
2. Найдём частоту колебаний \( f \):
\[ f = \frac{1}{T} \approx \frac{1}{1,57} \approx 0,637\,Гц \]
Ответ: \(\boxed{f \approx 0,637\,Гц}\)
3. Максимальная скорость \( v_{max} \):
Формула максимальной скорости: \[ v_{max} = A \omega \] где \[ \omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f \]
Расчитаем \(\omega\): \[ \omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{1.57} \approx 4\,рад/с \]
Тогда: \[ v_{max} = 0,2 \times 4 = 0,8\,м/с \]
Ответ: \(\boxed{v_{max} \approx 0,8\,м/с}\)
4. Максимальное ускорение \( a_{max} \):
Формула: \[ a_{max} = A \omega^2 \]
Рассчитаем: \[ a_{max} = 0,2 \times (4)^2 = 0,2 \times 16 = 3,2\,м/с^2 \]
Ответ: \(\boxed{a_{max} \approx 3,2\,м/с^2}\)
5. Уравнения движения
Обозначим \( x(t) \) — координата тела относительно равновесного положения.
Для гармонического осциллятора: \[ x(t) = A \sin(\omega t + \phi) \]
Пусть начальный момент времени \( t=0 \), и тело начало из крайнего положения, тогда \( \phi = 0 \): \[ x(t) = A \sin(\omega t) \]
Координата: \[ \boxed{ x(t) = 0,2 \sin(4 t) \quad \text{(в метрах)} } \]
Скорость: производная по времени: \[ v(t) = \frac{dx}{dt} = A \omega \cos(\omega t) = 0,2 \times 4 \cos(4 t) = 0,8 \cos(4 t) \]
Ускорение: вторая производная: \[ a(t) = \frac{d^2x}{dt^2} = -A \omega^2 \sin(\omega t) = -0,2 \times 16 \sin(4 t) = -3,2 \sin(4 t) \]
6. Графики
- \( x(t) = 0,2 \sin(4 t) \)
- \( v(t) = 0,8 \cos(4 t) \)
- \( a(t) = -3,2 \sin(4 t) \)
7. Полная механическая энергия \( E \)
Энергия колебаний — сумма потенциальной и кинетической: \[ E = \frac{1}{2} k A^2 \]
Подставляем значения: \[ E = \frac{1}{2} \times 480 \times (0,2)^2 = 240 \times 0,04 = 9,6\,Дж \]
Итоговые ответы:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Период \( T \) | ≈ 1,57 с |
| Частота \( f \) | ≈ 0,637 Гц |
| Макс. скорость | ≈ 0,8 м/с |
| Макс. ускорение | ≈ 3,2 м/с² |
| Уравнение координаты | \( x(t) = 0,2 \sin(4 t) \) м |
| Уравнение скорости | \( v(t) = 0,8 \cos(4 t) \) м/с |
| Уравнение ускорения | \( a(t) = -3,2 \sin(4 t) \) м/с² |
| Полная энергия | ≈ 9,6 Дж |
Если нужно построить графики, я могу помочь с их описанием или примером.