Условие задачи:

Пружинный маятник вывели из положения равновесия и отпустили. Через какое время кинетическая энергия колеблющегося тела будет в первый раз равна потенциальной энергии пружины, если период колебаний 200 мс?

Задача №9.4.8 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

\(E_к = E_п\), \(T=200\) мс, \(t-?\)

Решение задачи:

Пусть груз совершает гармонические колебания на пружине по закону синуса, тогда уравнение этих колебаний в общем случае можно представить в виде (начальную фазу колебаний \(\varphi_0\) примем равной нулю):

\[x = A\sin \left( {\omega t} \right)\;\;\;\;(1)\]

В этой формуле \(A\) — амплитуда колебаний, \(\omega\) — циклическая частота колебаний.

Если взять производную от уравнения (1), то получим уравнение скорости:

\[\upsilon = A\omega \cos \left( {\omega t} \right)\;\;\;\;(2)\]

В условии сказано, что нам нужно найти время, когда кинетическая энергия колеблющегося тела будет в первый раз равна потенциальной энергии пружины:

\[{E_к} = {E_п}\]

\[\frac{{m{\upsilon ^2}}}{2} = \frac{{k{x^2}}}{2}\]

\[m{\upsilon ^2} = k{x^2}\]

Учитывая (1) и (2), получим:

\[m{A^2}{\omega ^2}{\cos ^2}\left( {\omega t} \right) = k{A^2}{\sin ^2}\left( {\omega t} \right)\]

\[m{\omega ^2}{\cos ^2}\left( {\omega t} \right) = k{\sin ^2}\left( {\omega t} \right)\;\;\;\;(3)\]

Циклическую частоту колебаний \(\omega\) пружинного маятника определяют по формуле:

\[\omega = \sqrt {\frac{k}{m}} \]

В этой формуле \(k\) — жесткость пружины, \(m\) — масса колеблющегося груза.

Подставим это выражение в формулу (3):

\[m\frac{k}{m}{\cos ^2}\left( {\omega t} \right) = k{\sin ^2}\left( {\omega t} \right)\]

\[{\cos ^2}\left( {\omega t} \right) = {\sin ^2}\left( {\omega t} \right)\]

\[{\cos ^2}\left( {\omega t} \right) — {\sin ^2}\left( {\omega t} \right) = 0\]

\[\cos \left( {2\omega t} \right) = 0\]

\[2\omega t = \frac{\pi }{2}\;\;\;\;(4)\]

Также циклическую частоту колебаний \(\omega\) можно определить по формуле:

\[\omega = \frac{{2\pi }}{T}\]

В таком случае уравнение (4) примет вид:

\[\frac{{4\pi t}}{T} = \frac{\pi }{2}\]

\[t = \frac{T}{8}\]

Посчитаем численный ответ:

\[t = \frac{{0,2}}{8} = 0,025\;с\]

Ответ: 0,025 с.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

9.4.7 Груз массой 0,2 кг, подвешенный на пружине, совершает 30 колебаний за 1 минуту
9.4.9 Пружинный маятник совершает косинусоидальные колебания, после того как его вывели
9.4.10 Материальная точка совершает гармонические колебания. Как изменится кинетическая