Задачи › Математический и физический маятник

Период колебаний треугольника

  1. Период колебаний треугольника

    Санкт-Петербургская 2022/23, 11 кл.
    7/10

    Известно, что период колебаний прямоугольного треугольника определяется выражением \(T=\sqrt{\alpha c^2/l+\beta l}\), где \(\alpha\) и \(\beta\) — константы, \(c\) — его гипотенуза, \(l\) — расстояние от оси вращения до центра масс. Определите периоды колебаний прямоугольного треугольника относительно осей, перпендикулярных его плоскости и проходящих вблизи вершин треугольника. Определите на основе эксперимента и теоретически коэффициенты \(\alpha\) и \(\beta\).

    Оборудование: прямоугольный треугольник из картона, булавка, секундомер, линейка.

    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Центр масс треугольника — в точке пересечения медиан. Для каждой вершины из измеренного периода и расстояния до центра масс получается одно уравнение \(T^2l=\alpha c^2+\beta l^2\); трёх вершин хватит для \(\alpha\) и \(\beta\).

    Ответ

    Теория: \(k=\dfrac{1}{36}\), \(\alpha=\dfrac{8\pi^2}{g}k\approx0{,}224\), \(\beta=\dfrac{4\pi^2}{g}\approx4{,}03\) (при \(g=9{,}8\) м/с\(^2\)); эксперимент сравнивается с этими значениями.

    Решение

    Для каждой вершины \(T^2l=\alpha c^2+\beta l^2\). Из двух вершин находим \(\beta_{ab}=\dfrac{T_a^2l_a-T_b^2l_b}{l_a^2-l_b^2}\), аналогично \(\beta_{bc}\), \(\beta_{ac}\), берём \(\beta=\dfrac{\beta_{ab}+\beta_{bc}+\beta_{ac}}{3}\). Затем \(\alpha=\dfrac{T_a^2l_a-\beta l_a^2}{c^2}\) и так же по другим вершинам, среднее.

    Теоретически: момент инерции относительно оси, перпендикулярной плоскости и проходящей через центр масс, \(I_C=km(a^2+b^2+c^2)\), где \(k\) — число, найденное методом подобия (разбиение треугольника на четыре подобных). Период \[T=2\pi\sqrt{\frac{I_C+ml^2}{mgl}}=2\pi\sqrt{\frac{k(a^2+b^2+c^2)+l^2}{gl}} .\] Для прямоугольного треугольника \(a^2+b^2+c^2=2c^2\) и \(k=\dfrac{1}{36}\), так что \(\alpha=\dfrac{8\pi^2}{36g}\), \(\beta=\dfrac{4\pi^2}{g}\).

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи