حرکت نوسانی ساده

نوسان تاب، نوسان آونگ ساعت، نوسان فنر و.... از انواع حرکت هایی هستند متحرک در آنها در دو طرف یک نقطه حرکتی رفت و برگشت دارند. این حرکت های رفت و برگشتی می توانند دوره ای باشند یا غیر دوره ای. نوسان دوره ای به نوسانی می گویند که حرکت در هر دوره عینا تکرار می شوند.

حرکت نوسانی ساده وزنه و فنر یک حرکت رفت و برگشتی روی خط راست است که در آن از نیروهای مقاوم مانند اصطکاک صرف نظر می شود. در این حرکت زمان هر رفت و برگشت کامل را یک دوره می گویند.   

جسمی به جرم m را در نظر بگیرید که به یک فنر متصل شده است و روی یک سطح بدون اصطکاک قرار دارد. این جسم حول نقطه تعادل نوسان می‌کند و نیروی خالص روی جسم، برابر با نیروی ایجاد شده توسط فنر است. این نیرو از قانون هوک تبعیت می‌کند و برابر است با:

$F= -kx$

اگر نیروی خالص توسط قانون هوک تعریف شود و میرایی نداشته باشیم، آن‌گاه نوسان‌گر هماهنگ ساده، با جابه‌جایی یکسان در هر دو طرف نقطه تعادل نوسان می‌کند. بیشینه جابه‌جایی از نقطه تعادل را دامنه (A) می‌نامند.

مدت زمان یک چرخه، دوره تناوب حرکت نامیده می شود. تعداد نوسان های انجام شده در هرثانیه، بسامد یا فرکانس نوسان نامیده می شود.

$f=\frac{1}{T}$

یکای بسامد در SI هرتز Hz است که طبق تعریف:

$1Hz=\frac{1}{s}=s^{-1}$

معادله حرکت هماهنگ ساده

در حرکت نوسانگر هماهنگ ساده، نمودار مکان زمان سینوسی است یعنی مکان را می توان به صورت تابعی از زمان است. اگر فرض کنیم در زمان t=0 نوسانگر در دورترین فاصله خود یعنی x=A باشد. مکان نوسانگر تابعی سینوسی یا کسینوسی از زمان است که به صورت زیر نوشت:

$x(t)=Acos(ωt)$

که در آن ω بسامد زاویه ای نوسانگر است و به صورت زیر تعریف می شود:

$\omega=2\pi f=\frac{2\pi}{T}$

یکای بسامد زاویه ای در SI، رادیان بر ثانیه ($\frac{rad}{s}$) است

نحوه کار با شبیه ساز

در این شبیه ساز حرکت نوسانی ساده و متغییر های یک حرکت نوسانی ساده مورد بررسی قرار می گیرد پس از باز کردن صفحه و تبدیل شبیه ساز به تمام صفحه، مقادیر مربوط به دامنه و دوره تناوب نوسانگر را تنظیم کنید و در قسمت بالای صفحه دکمه شروع را فشار دهید. با این کار نوسانگر شروع به نوسان کرده و نمودار مکان-زمان آن را با انتخاب گزینه مربوطه می‌توانید مشاهده کنید و در هر لحظه که نیاز به توضیح به مخاطب دارید می توانید حرکت را فریز کرده و توضیحات لازم را ارائه دهید.

در شبیه ساز حاضر می توانید نمودارهای سرعت بر حسب زمان و شتاب برحسب زمان را نیز با انتخاب گزینه مربوطه مشاهده نمایید. برای بررسی و مقایسه سرعت، شتاب و بعد نوسان در هرلحظه خاص بردارهای مربوط به هر پارامتر بر روی نوسانگر پیش بینی شده و می‌توان جهت و اندازه هر یک از آنها را مشاهده کرد. همچنین گزینه ردیابی را برای تعیین مسافت طی شده و جابه‌جایی نوسان می‌توان فعال کرد.

پس از کار با شبیه ساز انتظار می‌رود بتوانید به پرسش های زیر پاسخ دهید:

1-ساز و کار حرکت نوسانی وزنه و فنر را توضیح دهید؟

2-در هر مرحله علامت های بعد، سرعت و شتاب را مشخص کنید.

3-در هر مرحله تند شونده/کند شونده بودن حرکت را تعیین نمایید.

4-نحوه تغییرات بعد، سرعت و شتاب نوسانگر را در طی مراحل حرکت شرح دهید.