פרק 6 . מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו
Transcription
פרק 6 . מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו
פרק . 6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו מטרת הניסוי: חקירת התנודות המאולצות של מתנד הרמוני נטול חיכו ותופעת התהודה. מכשור: מסלול אוויר ,עגלות קפיצי ,ספק מתח למנוע ע מהירות משתנה וגלאי קרוזה. רקע תיאורטי: בניסוי הקוד בחנו מתנד חופשי ע כוח מרס .בשני הניסויי הבאי נבח את תנועתו של מתנד הרמוני שעליו מופעל כוח הרמוני מאל .המערכת מתוארת בציור .1 את קצה אחד הקפיצי )הקפי הר (k1מחברי לעגלה נוספת .עגלה זו מחוברת למוט הנמצא על גלגל המונע ע"י מנוע חשמלי ,כפי שנית לראות המוט איננו במרכז הגלגל .מקומו של המוט על הגלגל נית פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו 71 לשינוי ,כ שאפשר לשנות את גודל הכוח המאל ולהתאימו לתנאי הרצויי בניסוי .מהירות סיבוב הגלגל ניתנת לשינוי .תנועת העגלה הנוספת מעתיקה את הקצה השני של הקפי מנקודת שיווי המשקל בשיעור X העתקה הגורמת לשינוי נוס כאור הקפי ולכ להפעלת כוח נוס על המתנד שגודלו ,–k1Xגלאי קרוזה המחובר לעגלה זו יאפשר מדידת Xותדירות הכוח המאל . בהנחה שבשיווי המשקל המוט המניע את העגלה נמצא על קו אנכי העובר דר המרכז .השינוי במקו העגלה נתו ע"י ) Xcos(ωtוהכוח המאל נתו ע"י ) .–k1Xcos(ωt) ≡ F0cos(ωtמשוואות התנועה של המתנד תהיינה: )F = md2x/dt2 = -(k1+k2)x-(m/τ)dx/dt+F0 cos(ωt )(1 או )d2x/dt2+(1/τ)dx/dt+ω02x = (F0/m)cos(ωt )(2 כאשר מפעילי כוח הרמוני בתדירות ωעל מתנד הרמוני ,המתנד ינוע באותה תדירות ωשל הכוח המאל . הפתרו של משוואה זאת שתדירותו ωהוא: )x-st(t) = xcos(ωt+φ )(3 כאשר )(4 F0 / m ) ) − ω 2 + (ω τ 2 2 2 0 (ω =x ו φהפרש הפזה בי הכוח המאל והאוסצילטור ההרמוני: −ω )(5 φ = tan −1 2 2 τ ( ω ω ) − 0 אפשר לראות שמשוואות ) (4) ,(3ו ) (5מקיימות את המשוואה ) (2ע"י הצבה במשוואה זו .משוואה )(3 מראה ,שהתגובה פונקציה של התדירות .כאשר החיכו זניח 1/τ ,שוא לאפס והמשרעת ) x(ωשואפת לאינסו עבור .ω=ω0לתדירות בה מתקבל שיא המשרעת קוראי תדירות התהודה ובמקרה של חיכו זניח תדירות התהודה היא .ω0את המקרה בו החיכו אינו זניח נלמד בניסוי הבא .הפתרו המובא 333במשוואה ) (3הוא פתרו פרטי ,מאחר שאי בו פרמטרי שאפשר להתאימ לתנאי התחלה שוני . פתרו זה מתאר את התנועה לאחר זמ ארו ,בו רק התנועה המאולצת באה לידי ביטוי .פתרו כללי יכלול ג את התנודות החופשיות הדועכות ע הזמ וג תנועה מאולצת ,לכ הפתרו הכללי הוא סופר פוזיציה של שתי התנועות ומשואת התנועה נתונה ע"י סכו הפתרונות הפרטיי של משואה ) (3ומשוואה ) (3של הפרק הקוד . )X(t) = x-st(t)+x1(t )(6 φ1ו x1הנתוני במשוואה ) (3של הפרק הקוד ניתני לבחירה ,כ שאפשר להתאי את משוואה )(6 לתנאי שפה שוני .במיוחד נתאי את המשוואות למקרה בו הכוח המרס קט יחסית .1/τ→0כדי להתאי את המשוואות לתנאי אלה ,נכתוב את משוואה ) (6בצורה מפורשת. )X(t) = xcos(ωt+φ)+x1e-t/2τcos(ω1t+φ1 72 פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו משוואה זו היא משוואת התנועה הכללית לתנועה הרמונית מאולצת .צרי להתאי משוואה זו להנחה, שהחיכו זניח ולתנאי השפה המיוחדי בה נבצע את הניסוי. בהנחה שהריסו זניח .1/τ→0 ממשוואה ) (4מתקבל ))lim x = F0/(m(ω02-ω2 1/τ→0 lim tan-1φ = 0 1/τ→0 ממשוואה ) (5מתקבל לכ : lim φ = 0 1/τ→0 lim ω1 = ω0 1/τ→0 וממשוואה ) (3של הפרק הקוד מתקבל ע"י הצבה ב ) (6נקבל )(7 )x(t) = (F0/(m(ω20-ω2))cosωt+x1cos(ω0t+φ1 נבצע את הניסוי כ ,שבתחילת הניסוי העגלה תמצא במנוחה בנקודת שיווי המשקל )זכור!! במקרה זה תנאי השפה במקרה זה ה המוט המניע את העגלה חייב להיות על קו מאונ העובר דר המרכז(. x(0) = 0ו dx/dt(0) = 0הינו ההעתק והמהירות ההתחלתיי המתאפסי .נציב תנאי אלה במשוואת התנועה 7ובנגזרת לפי הזמ ונקבל: )(8 x(0)=F0/(m(ω02-ω2))+x1cosφ1=0 )(9 dx/dt(0)=-x1ω0sinφ1=0 φ1 = 0 ממשוואה ) (9נובע: ))x1 = -F0/(m(ω20-ω2 וממשוואה – )(8 הצבת x1ו φ1ב – ) (7תית את המשוואה הבאה: )(10 )x(t) = (F0/(m(ω20-ω2)))(cosωt-cosω0t התקבלה משוואת התנועה המתארת צרו של שתי תנועות הרמוניות במשרעת זהה ,בתדירות ω0ו .ω המשוואה מתארת תופעה המכונה פעימות. נוח לתאר תופעה זו כתנועה הרמונית בתדירות ממוצעת ωav = (ω0+ω)/2ע משרעת המשתנה לאט בזמ , המכונה מעטפת .המעטפת משתנת בזמ ,בתדירות ) ωmod = (ω0-ω)/2השינוי בזמ של המעטפת מכונה אפנו (. )x(t) = xmod(t)sin(ωavt נכתוב את ) (10בצורה שונה: כאשר xmod(t) = (2F0/(m(ω02-ω2)))sin½(ω0-ω)t קל להוכיח שמשוואה זו זהה ל – ).(10 פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו 73 בתהודה ω0 = ωכ שהמונה והמכנה מתאפסי ,אול מאחר שבזויות קטנות אפשר להחלי את סינוס ]lim x(t) = lim (2F0/(m(ω20-ω2)))sin[½(ω0-ω)t הזווית בזווית עצמה ,מתקיי : ω →ω0 ω →ω0 כ שבגבול: x(t) = (F0t/(2mω0))sinω0t )(11 בהזנחת הכוח המרס קיבלנו ,שמשרעת המתנד גדלה ממצב מנוחה בצורה המתכונתית לזמ .מוב שבפועל ,גידול המשרעת ייעצר ברגע שמשרעת התנועה תתקרב לקצות המסלול ,מאחר שהקפיצי לא יהיו אלסטיי יותר ולכ ההנחה של כוח הרמוני מחזיר – אינה תקפה .כמו כ ,כשהמשרעת גדלה – גדלה ג מהירות התנועה וגדל ג הכוח המרס והוא אינו זניח יותר. משוואה ) (11מדגישה ,את התגובה החזקה של מערכת לתדירות התהודה שלה .ניסוי זה דומה לדוגמא הידועה של מחלקת חיילי הצועדת על גשר ,כשתדירות הפסיעה שלה קרובה לתדירות התהודה של הגשר .הגשר יתחיל ממצב מנוחה והמשרעת של תנועתו תגדל מתכונתית בזמ ,עד שהגשר יתפרק. שאלות הכנה .1 .2 .3 הוכח שמשוואה ) (3פתרו של משוואה ) ,(2כאשר קיו של משוואות ) (4ו ) (5תנאי הכרחי לכ . הראה שמשוואה ) (6הינה פתרו של משוואה ).(2 הראה שאת משוואה ) (10אפשר לכתוב כתנועה הרמונית במשרעת המשתנה בזמ . ניסוי 6.1 תנודות הרמוניות מאולצות ,פעימות. בניסוי זה נחקור את התנועה של מתנד מאול ,כאשר תדירות הכוח המאל שונה מתדירות התהודה ונמצא את שינוי המשרעת בזמ .תנועת המתנד מתוארת במשוואה ) .(10המתנד מתחיל ממצב מנוחה. הכוח המאל מניע אותו בתדירות השונה מהתדירות העצמית ולכ מתקבלות פעימות. את התוצאות שנקבל נשווה ישירות לתיאוריה וכ נאמת את התיאוריה של תנועה הרמונית מאולצת. א. .1 .2 .3 הכרת המכשור וניסוי איכותי. שקלו את העגלה בה תשתמשו בניסוי. הכינו את מסלול האוויר לניסוי. הרכיבו את מער הניסוי המתואר בציור .1 העגלה המאלצת מחוברת בחוט למוט המונע ע"י מנוע שמהירותו ניתנת לשינוי .העגלה המאלצת מחוברת לעגלה נוספת באמצעות קפי שהקבוע האלסטי שלו ) k1במידה שלא שמרת את הקפי מהמעבדה הקודמת ,עליכ להתחיל במדידת הקבוע האלסטי של הקפי ,כפי שביצעת זאת בניסוי .(5.1הקצה השני 74 פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו של העגלה המאולצת ,מחובר למסלול בעזרת קפי ע קבוע .k2עליכ לבחור קפי זה כ שהתדירות העצמית של המערכת תהיה בתו תחו התדירויות המתקבל משינוי המהירות של המנוע המאל .הדר הנוחה ביותר להביא את המוט לנקודת שיווי המשקל היא להפחית את מהירות המנוע ולעצרו במקו המתאי ,כ שקו אנכי יעבור דרכו ודר המרכז .סמנו את נקודות שיווי המשקל של העגלות על המסלול ע"י הדבקת פיסות נייר דבק על המסלול .נסו לא להזיז את המערכת בזמ הניסוי .כאשר המערכת בשיווי משקל ,קבעו את גלאי קרוזה הראשו במרכז העגלה המאלצת ואת הגלאי השני למרכז העגלה המאולצת. השוואת התנודות של שתי העגלות מאפשרת מציאת הפזה בי הכוח המאל והתנודה של המתנד. הפעילו את המנוע ומצאו מהירות שתביא לקבלת מספר פעימות בדקה .הדליקו את המחשב והעלו את התוכנה של קרוזה .בחרו באפשרות למדידה של שני הגלאי ,אפסו את הגלאי כאשר העגלות נמצאות בנקודות שיווי המשקל .הגדילו את מהירות המנוע למהירות אותה בחרת קוד .לחצו על f4כאשר את מחזיקי את העגלה המאולצת בנקודת שיווי המשקל .שחררו אותה וצפו בפעימות המתקבלות על מס המחשב .שנו את קצב המדידה ואת הסקלה של ציר yעד שתקבלו כשתי פעימות על המס .במידה והעגלה חורגת מהגלאי אפשר להקטי את משרעת התנודות ע"י הקטנת משרעת הכוח המאל . ב. ניסוי כמותי: .1 מדדו את התדירות העצמית ω0של המתנד ,כפי שעשית בניסוי 5.2ורשמו את .2 .3 התוצאה. אפוס הגלאי בניסוי זה חשוב מאוד .בדקו שוב את אפוס הגלאי . חזרו למהירות שבחרת ובצעו שני ניסויי .שמרו את התוצאות התקליטו . ניסוי 6.2 תהודה ללא כוח מרס בניסוי זה הכוח המאל מניע את המתנד בתדירות העצמית של המערכת .המתנד מתחיל ממצב מנוחה והמשרעת של התנודה גדלה מתכונתית בזמ .התנועה מתוארת ע"י משוואה ).(11 א. ניסוי איכותי: הניסוי יבוצע באותה מערכת כמו בניסוי הקוד .שנו את מהירות המנוע ומצאו את מהירות בה תדירות התנודה של המתנד זהה לתדירות העצמית של המערכת שמדדת בניסוי .6.1כאשר תגיעו לתדירות התהודה ,עצרו את העגלה שחררו אותה ובמקביל לחצו על .F4התבוננו במס המחשב ,לאופ בו בונות התנודות את עצמ .התאימו את מהירות הדגימה וציר ה yכ שתקבלו על המס את הבניה של התנודות, מבלי שהעגלה תחרוג מתחומי הגלאי. פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו 75 ב. ניסוי כמותי: בצעו מספר פעמי בתקליטו . את הניסוי ,כאשר העגלה מתחילה ממנוחה .שמרו את התוצאות של שני ניסויי עבוד נתוני .1העלאת הגיליו האלקטרוני :העלו את הגיליו האלקטרוני בעל הש .EXP6Mהביאו לתוכו את קוב המדידות של ניסוי ) 6.1ניסוי הפעימות( ע"י לחיצה על .CTRL+iזכרו לשמור את הקוב בשמו המקורי . template6m.xlsתוכלו לראות גר של התוצאות בגליו בעל הלשונית .Beats - exp .2הכנסת הנתוני הניסויי :הכניסו את הערכי של קבועי הקפיצי ω0 ,התדירות העצמית של המערכת ואת מסת העגלה במקומות המתאימי בגיליו .כעת בחנו את התוצאות שקיבלת .במידה שה אינ סימטריות ביחס לציר הזמ ,תוכלו להתיק את מערכת הצירי ולהכניס את התוצאות ולאחר ההתקה תו שימוש בעמודה .Dחשבו בעמודות G,Fו Hאת הזמ בשניות וההעתק של המתנד במטר. .3חשוב התדירות :חשבו ע"י מציאת נקודת החיתו של ההעתק ע ציר הזמ )נקודת ההתאפסות של המשרעת( את המחזור של המתנד ושל הכוח המאל .הכניסו לעמודות Jו ,Kאת זמני התאפסות המשרעת עבור העגלה המאלצת והמתנד בהתאמה .בעמודות Lו ,Mחשבו את הערכי של זמ המחזור. חשבו את זמ המחזור הממוצע ואת תדירות התנודות )נית לבצע זאת בתאי .(K7-K10רשמו את האמפליטודה של הכח המאל בתא .K11השתמשו בער שמצאת ל ω0ובתדירות של הכוח המאל על מנת לחשב את התדירות התיאורטית של תנודות המתנד ,המתקבלת בנוסחה .10השוו לתוצאות שקיבלת בניסוי .הא התוצאות מתאימות בתחו חשוב השגיאה? .4חשוב המעטפת :חשבו את המעטפת לפי Xmodבנוסחה .10הכניסו את התוצאות לעמודה .Oזכרו שהמעטפת יכולה לקבל ערכי חיוביי ושליליי ,בהתא לסימ של הסינוס .לכ הכניסו את הערכי השליליי Xmodבעמודה .Pהשוו לתוצאות הניסיוניות בעזרת הגר הנמצא בגליו בעל הלשונית .Beats-envelopeהדפיסו גר זה והכניסו אותו למחברת. .5עיבוד ניסוי התהודה :הביאו את הקוב שיצרת בניסוי לבנייה של התנודות ע"י לחיצה על .CTRL+j תוכלו לראות את הגר של התוצאות בגיליו בעל הלשונית . Resonance - exp. .6מעבר יחידות :בצעו בעמודה Wתרגו של הזמ לשניות ע העתקה מתאימה של ראשית הצירי )(T0 ובעמודות Xו Yתרגמו את המשרעת למטרי . .7חשוב הבנייה של המשרעת :חשבו לפי נוסחה 11את המעטפת והכניסו לעמודה .AAאת הערכי השליליי של המעטפת ,הכניסו לעמודה .ABצפו בערכי המחושבי של המעטפת והערכי הניסיוניי גר המופיע בגיליו בעל הלשונית .Resonance - envelopeהדפיסו את הגר ושמרו את התוצאות במחברת. 76 פרק .6מתנד הרמוני ע כוח מאל ללא ריסו