沖擊單擺運動情況的角速度和張力研究

魏宇

摘 要：單擺作為簡諧振動中最簡單的一種運動模型，根據(jù)起始時受力不同，分為不同的運動情況。重點介紹了單擺的運動情況分類標準及其各自的特點，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)張力隨著最大偏轉角的增加而減少，角速度也隨之減小;但二者存在運動的臨界值。

關鍵詞：沖擊單擺;張力;角速度;臨界角

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.09.097

1 研究背景

長為l的輕線的一端固定，另一端系一質量為m的小球就形成單擺模型。雖然單擺的動力學方程是二階非線性微分方程，無法求得解析解。但前人的研究仍集中于嘗試得到誤差更小的近似解。近年來，隨著計算機技術的高速發(fā)展，對單擺模型數(shù)值解的討論取得了一定成效，發(fā)現(xiàn)了比較精確的數(shù)值模擬結果。阻尼單擺問題的研究過程中發(fā)現(xiàn)了混沌效應;而且從能量學的角度對阻尼做功與時間關系的討論，得到了小阻尼單擺做功的表達式。

本文討論將小球懸掛在鉛直位置，然后用外力沖擊小球，使其以水平初速度v0開始運動，研究小球轉過θ角時的角速度和線中張力的變化規(guī)律，從而對單擺問題進行動力學研究。找到了斜拋運動與圓周運動的臨界初始速度，發(fā)現(xiàn)可以對沖擊單擺問題分成三種情況討論。

2 理論模型

3 結果與討論

3.1 模型分析

情況1：

如果初速度v0速度較小，小球運動到一定的角度就會停止，然后往回運動，此時運動情況如圖。當ω=0時，由上式可得小球運動的最大角度為：

Cos θm=1-（v0/V0）2（13）

由此進行分析：v0最小取0，最大取V0;即0v0/V01，則θm范圍為0θmπ/2。這也很好理解，若θmπ/2，則越過水平位置會做斜拋或圓周運動。

3.2 結果討論

由此可繪圖分析這三種情況。

后，由于到達最高點后vgl，繩中也會有張力來提供向心加速度，所以繩中最小張力不為0且隨初速度增大最小張力單調遞增。

4 展望

本文僅僅是針對理想單擺問題進行研究，并未考慮空氣阻力、擺線質量、小球形狀等因素對單擺動力學及能量學問題的影響。模型與真實情況的單擺有所差別，希望能夠通過進一步研究完成對實際單擺問題的修正。除繩中張力及角速度與角度之間的關系以外，還可以嘗試研究該模型中其它物理量之間的關系，或者引入時間，初速度等自變量，做出進一步的分析與研究。對于計算器中擬合的曲線缺少更深層次的分析，如對于函數(shù)增減速度的分析，怎樣用理論解決該函數(shù)求導問題，并對照現(xiàn)實賦予其實際的物理意義。

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