Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения. Период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен
и не зависит[1] от амплитуды и массы маятника.
Плоский математический маятник со стержнем — система с одной степенью свободы. Если же стержень заменить на растяжимую нить, то это система с двумя степенями свободы со связью. Пример школьной задачи, в которой важен переход от одной к двум степеням свободы.
При малых колебаниях физический маятник колеблется так же, как математический с приведённой длиной.
Содержание |
Колебания математического маятника описываются обыкновенным дифференциальным уравнением вида
где ― положительная константа, определяемая исключительно из параметров маятника. Неизвестная функция ― это угол отклонения маятника в момент от нижнего положения равновесия, выраженный в радианах; , где ― длина подвеса, ― ускорение свободного падения. Уравнение малых колебаний маятника около нижнего положения равновесия (т. н. гармоническое уравнение) имеет вид:
Маятник, совершающий малые колебания, движется по синусоиде. Поскольку уравнение движения является обыкновенным ДУ второго порядка, для определения закона движения маятника необходимо задать два начальных условия — координату и скорость, из которых определяются две независимых константы:
где — амплитуда колебаний маятника, — начальная фаза колебаний, — циклическая частота, которая определяется из уравнения движения. Движение, совершаемое маятником, называется гармоническими колебаниями
Для маятника, совершающего колебания с большой амплитудой, закон движения более сложен:
где — это синус Якоби. Для он является периодической функцией, при малых совпадает с обычным тригонометрическим синусом.
Параметр определяется выражением
где — энергия маятника в единицах t−2.
Период колебаний нелинейного маятника
где K — эллиптический интеграл первого рода.
Для вычислений практически удобно разлагать эллиптический интеграл в ряд:
При углах до 1 радиана (≈60°) с приемлемой точностью (ошибка менее 1 %) можно ограничиться первым приближением:
Движение маятника по сепаратрисе является непериодическим. В бесконечно далёкий момент времени он начинает падать из крайнего верхнего положения в какую-то сторону с нулевой скоростью, постепенно набирает её, и останавливается, возвратившись в исходное положение.
Несмотря на свою простоту, математический маятник связан с рядом интересных явлений.
Математический маятник теоретическая механика, математический маятник за 1\/2т смещается на 20 см.
Файл:Bundesarchiv Bild 146-1981-066-11A, Berlin, Trauerfeier für Ernst Udet.jpg, Калактау, Список послов СССР и России в Катаре, Категория:Депутаты кнессета от партии Авода, Турбонасосный агрегат.