Oscilatorul mecanic - fenomene periodice si oscilatii mecanice

Oscilatorul mecanic

Existenta noastra este reglata de fenomene care se repeta regulat: succesiunea zilelor, a saptamanilor, a lunilor, a anotimpurilor, a anilor. Pe parcursul fiecarei zile ne reglam activitatile privind din cand in cand ceasul: indicatiile acestuia se modifica in fiecare secunda.

Numim fenomen periodic un fenomen care se repeta la intervale egale de timp. Intervalul de timp dupa care se repeta un fenomen periodic este perioada acestuia.

Unitatea de masura pentru perioada este, in Sistemul International de unitati, secunda (simbol s

Provocarea 1A1−1

Cat este perioada dupa care se repeta trecerea minutarului unui ceas printr−o anumita pozitie de pe cadran? Exprima aceasta perioada in secunde.

Oscilatiile mecanice au fost primele fenomene pe care s−a bazat functionarea ceasurilor. Un astfel de ceas este cel cu pendul: un corp dens, atarnat la capatul unei tije, se balanseaza periodic de−o parte si de cealalta a pozitei verticale de echilibru (figura 1A1−1).

Fig. 1A1−1. Ceas cu pendul.

Un mecanism ingenios mentine in miscare pendulul pe parcursul mai multor zile, afisand in permanenta minutele si orele. In ceasurile moderne (electronice), in loc sa miscam incoace si−ncolo corpuri macroscopice, folosim oscilatori electrici, in care electronii sunt cei care oscileaza.

Electronii sunt cele mai usoare particule (au masa aproximativ 10^-30 kg). Un electron este de zeci de miliarde de miliarde de miliarde de ori mai usor decat corpul care balanseaza intr−un ceas cu pendul! Fiind atat de putin masivi, electronii pot fi pusi fara dificultate sa oscileze de miliarde de ori in fiecare secunda, asa cum se intampla intr−un calculator personal sau intr−un telefon mobil.

Activitatea experimentala 1A1−1

Construieste un pendul din lucruri aflate la indemana si masoara perioada de oscilatie a acestuia.

Pasul 1  Perforeaza cu varful unui compas centrul capacului unei cutii cilindrice de plastic, cum sunt cele in care se pastreaza filmele fotografice sau tabletele (figura 1A1−2).

Fig. 1A1-2. Pendul realizat din lucruri la indemana.

Lucrare: Detergenti .Sapunuri. Substante tensio-active - clasificare Lucrare: Test ARENE - chimie

Trece prin orificiu capatul unui fir de ata lung de aproximativ 1,5 m. Leaga capatul firului trecut prin capac de centrul unei bucati de sarma (dintr−o agrafa de birou) sau o jumatate de bat de chibrit. Astfel, firul nu mai poate iesi prin capac. Pune in cutie cateva monezi vechi de 100 de lei (care nu mai au astazi nici o utilizare) sau cateva piulite mari. Fixeaza capacul si pendulul este gata!

Pasul 2  Fixeaza la marginea de sus a tablei sau a unei usi o clema cu surub (menghina de mana) si leaga de tija clemei capatul liber al firului pendulului (figura 1A1−3).

 Atentie! Daca folosesti o usa, asigura−te ca pendulul este atarnat pe partea usii care se impinge, pentru ca sa nu te loveasca cineva care ar intra pe usa in timp ce lucrezi!

Pendulul atarna cu firul intins vertical. Aceasta este pozitia de echilibru a pendulului (figura 1A1−4).

Pasul 3  Trage pendulul lateral, astfel incat firul sa ramana mereu paralel cu tabla (sau cu usa) si elibereaza−l (figura 1A1−5).

Fig. 1A1-5. Pornirea pendulului.

Observa oscilatiile pendulului de o parte si de cealalta a verticalei.

Pasul 4  Masoara durata a zece oscilatii complete ale pendulului (o oscilatie completa este o miscare dus−intors, dupa care pendulul ajunge din nou aproape in aceeasi pozitie si miscarea se repeta aproape identic).

Pasul 5  Calculeaza perioada de oscilatie a pendulului folosind rezultatele masuratorilor tale.

Provocarea 1A1−2

De ce oare oscileaza pendulul?

Pendulul este in echilibru in pozitia in care rezultanta fortelor la care este supus este nula. Aceasta se intampla atunci cand firul este intins vertical: greutatea corpului pendulului si tensiunea in fir au orientari opuse si marimi egale (figura 1A1−6).

Cand pendulul este tras si eliberat dintr−o pozitie in care firul este inclinat, rezultanta fortelor la care este supus corpul pendulului este nenula si indreptata aproximativ catre pozitia de echilibru (figura 1A1−7).

Fig. 1A1−7.  Fortele care actioneaza asupra corpului pendulului intr−o pozitie in care firul este inclinat: rezultanta fortelor este nenula.

Astfel, pendulul accelereaza spre pozitia de echilibru, castigand viteza. Cand ajunge in pozitia de echilibru, nu se poate opri brusc acolo: datorita inertiei, isi va continua miscarea dincolo de pozitia de echilibru.

Ajuns dincolo de pozitia de echilibru, rezultanta fortelor la care este supus corpul pendulului este iarasi nenula si indreptata aproximativ tot catre pozitia de echilibru (figura 1A1−8).

Fig. 1A1−8.  Fortele care actioneaza asupra corpului pendulului dincolo de pozitia de echilibru: rezultanta fortelor este iarasi nenula.

Astfel, pedulul pierde treptat viteza pe care o avea si, in cele din urma, ajunge in repaus, firul fiind inclinat la maximum. De aici incepe sa castige viteza inspre pozitia de echilibru, trece prin aceasta si se opreste foarte aproape de locul din care a plecat. De aici incolo, miscarea pendulului se repeta aproape identic.

O parte din energia pendulului este transferata treptat particulelor de aer intalnite in cale. Oscilatiile pendulului sunt din ce in ce mai 'marunte' si, in cele din urma, pendulul se 'linisteste' in pozitia de echilibru − toata energia sa de oscilatie va fi fost transferata mediului.

Activitatea experimentala 1A1−2

 Lanseaza un pendul virtual si observa−i oscilatiile!

Toti oscilatorii mecanici sunt caracterizati de pozitii de echilibru stabil Odata scos din pozitia de echilibru, oscilatorul este supus unei forte rezultante nenule, care incearca sa aduca oscilatorul in pozitia de echilibru (forta de revenire). Inertia oscilatorului si viteza dobandita in procesul de revenire, fac ca oscilatorul sa treaca dincolo de pozitia de echilibru, fiind supus astfel unei forte de revenire, care incearca din nou sa−l aduca in pozitia de echilibru. Pana cand energia oscilatorului nu este transferata in intregime mediului, acesta oscileaza, incercand mereu sa−si regaseasca echilibrul si 'ratand' de fiecare data.

Activitatea experimentala 1A1−3

Modifica parametrii pendulului pe care l−ai realizat la activitatea experimentala 1A1−1 (masa, lungimea firului, unghiul de la care incepe sa oscileze) si incearca sa obtii un pendul care sa 'bata' secunda (adica trece dintr−o parte in cealalta in fiecare secunda).

Prezinta in scris cum ai procedat, care sunt parametrii care influenteaza semnificativ perioada de oscilatie a pendulului si care parametri au o influenta nesemnificativa.