👤

Un oscilator elastic orizontal fara frecări este constituit dintr-un resort de constanta k=20Nm^-1 și un mic corp de masa m =0,2 kg. Corpul este indepartat cu 3 cm fata de pozitia sa de echilibrusi lasat apoi liber sa oscileze. Calculati:
a) Perioada de oscilatie;
b) Valoarea energiei potentiale elastice a oscilatorului in momentul echilibrarii sale;
c) Energia cinetica la trecerea oscilatorului prin pozitia de echilibru; deduceti de aici amplitudinea vitezei;
d) Momentele de timp si pozitiile oscilatorului pentruu care energia cinetica este egala cu energia potentiala.


Răspuns :

Cum, asupra corpului nu va mai actiona nicio forta externa, distanta de 3cm de la care a fost lasat liber este defapt amplitudinea(elongatia maxima)

k = 20 N/m
m = 0,2 kg
A = 3 cm = 0,03 m

a) T = ?
[tex]\omega=\frac{2\pi}{T}\\ \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}\rightarrow\frac{2\pi}{T}=\sqrt{\frac{k}{m}}\rightarrow T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}\\ T=2\pi\sqrt{\frac{0,2}{20}}s=0,2\pi s\approx 0,628 s[/tex]

b) Ep = ?
In momentul echilibrarii, elongatia y(distanta de la corp la punctul de echilibru) va fi 0 m
[tex]E_p=\frac{ky^2}{2}\\ y=0\ m\rightarrow \boxed{E_p=0\ J}[/tex]

c) Am aflat ca in pozitia de echilibru, energia potentiala este 0. Mai stim ca la pornire(cand elongatia este maxima), viteza este 0, asadar si energia cinetica in acel moment va fi 0.

Stim ca suma dintre energia cinetica si energia potentiala este constanta, atata timp cat nu exista frecare.

Noi trebuie sa aflam energia cinetica in momentul echilibrarii (Ec2):

[tex]E_{p1},\ E_{c1}\ - \ \text{Energiile in punctul de elongatie maxima}\\ E_{p2},\ E_{c2}\ -\ \text{Energiile in momentul echilibrarii}\\\\ E_{c1}=E_{p2}=0\ J\\ E_{p1}+E_{c1}=E_{p2}+E_{c2}=\ \text{const.}\\ E_{p1}+0=0+E_{c2}\rightarrow E_{p1}=E_{c2}\\\\ E_{c2}=E_{p1}=\frac{ky^2}{2}=\frac{kA^2}{2}\\\\ E_{c2}=\frac{20\cdot (0,03)^2}{2}\ J=\boxed{0,009\ J}\\\\ E_{c2}=\frac{mv^2}{2}\rightarrow v = \sqrt{\frac{2E_{c2}}{m}}=\boxed{0,3\ m/s}[/tex]

d)Aici ne vom folosi de formula energiei totale. Pozitia oscilatorului inseamna elongatia y.


[tex]E_t=\frac{kA^2}{2}\\ E_c+E_p=E_t\\ E_c=E_p\rightarrow 2E_p=E_t\\ 2\cdot\frac{ky^2}{2}=\frac{kA^2}{2}\\ y^2=\frac{A^2}{2}\rightarrow y=\pm \frac{A\sqrt{2}}{2}\rightarrow y=\pm \frac{0,03\sqrt{2}}{2}\ m\approx \pm \boxed{0,0212\ m}\\\\ \text{Ecuatia elongatiei in functie de timp:}\\ y=Asin(\omega t)\\ \pm\frac{A\sqrt{2}}{2}=Asin(\omega t)\rightarrow sin(\omega t)=\pm \frac{\sqrt{2}}{2}\\ arcsin(\pm\frac{\sqrt{2}}{2})=\pm\frac{\pi}{4}\rightarrow \boxed{\omega t\in \{ \frac{\pi}{4}+n\pi\ |\ n \in Z\}}\\\\[/tex]

Am folosit formula ecuatiei trigonometrice pentru sinus:
sin x = a  ==>  x = (-1)^k * arcsin(a) + kπ, k ∈ Z

Noi am aflat faza ωt, dar trebuie sa-l aflam pe t:

[tex]\omega=\sqrt{\frac{k}{m}} \rightarrow t\sqrt{\frac{k}{m}}\in \{\frac{\pi}{4}+n\pi\ |\ n \in Z\}}\\ t\in \{\pi\frac{\frac{1}{4}+n}{\sqrt{\frac{k}{m}}}\ |\ n \in Z\}\\ t\in\{\frac{\pi(n+1)}{3}\sqrt{\frac{m}{k}}\ |\ n \in Z\}\\\\ \sqrt{\frac{m}{k}}=0,1\ m/s^2\\ t\in \{\frac{\pi(n+1)}{30}\ |\ n\in Z\}[/tex]