Центробежная сила инерции. Рассмотрим движение тела во вращающейся системе координат. Сначала рассмотрим вращение тела в неподвижной системе. В ней тело будет испытывать центростремительное ускорение, которое, и будет заставлять его вращаться. По третьему закону Ньютона центростремительной силе соответствует центробежная сила, приложенная к нити, удерживающей вращающееся тело. Во вращающейся системе координат тело покоится, но центростремительное ускорение по-прежнему отлично от нуля.В связи с тем, что координаты
и
тела изменяются с периодом
, то оно будет осуществлять движение по эллиптический траектории также с периодом
и циклической частотой
.
Покажем, что в случае
движение тела происходит по эллипсу в направлении по часовой стрелке. Действительно, если
, то уравнения изменения координат тела со временем приобретают вид:
и
. (11.80)
В момент времени
координаты точки будут
и
. В следующие моменты времени координата
уменьшается, а координата
приобретает отрицательное значение, то есть подвижная точка перемещается вниз в направлении часовой стрелки. Если
, то тело движется также по эллиптической траектории, но в противоположном направлении, то есть против часовой стрелки. Если амплитуды складываемых колебаний одинаковы:
, то эллипс превращается в круг. Физика курс лекций Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах — спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул.
При сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний с разными частотами, результирующее движение будет происходить по траекториям сложных форм, которые называют фигурами Лиссажу. Фигуры Лиссажу занимают ограниченную область пространства, которой можно поставить в соответствие некоторый прямоугольник. Отношение числа точек касания фигур Лиссажу к соответствующим сторонам прямоугольника совпадает с отношением частот складываемых колебаний. На Рис. 11.6 изображена одна из простейших фигур Лиссажу, соответствующая отношению частот 1 : 2 и разности фаз
складываемых колебаний.
Из формулы
(11.81)
имеем, что квадрат результирующего смещения материальной точки и квадрат ее скорости в некоторый момент времени соответственно равняются:
и
. (11.82)
Поскольку складываемые колебания имеют одинаковые частоты, то коэффициент возвращающей силы имеет вид
. (11.83)
Полная энергия результирующего движения тела состоит из кинетической и потенциальной энергий:
, т.е.
(11.84)
где
и
- энергии складываемых колебаний.
Видно, что энергия результирующего колебания при сложении взаимно перпендикулярных колебаний, в отличие от энергии результирующего колебания при сложении колебаний одинаково направления, не зависит от разности фаз между ними и равна сумме энергий складываемых колебаний. Заметим, что поскольку вращательное движение равнозначно результату сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний, то этим пользуются, например, в упрощенной модели атома, в которой круговое движение электрона вокруг ядра трактуется как колебание электрона. В других случаях гармоническое колебание
можно рассматривать как результат двух вращений по кругу, соответственно, по уравнениям:
;
;
;
. (11.85)
Указанные вращения происходят во взаимно противоположных направлениях. Такое представление оказывается плодотворным, в частности, в кристаллооптике.
| Математический маятник |