ΑΑΤ: Ενέργεια Ταλάντωσης
U = ½Dx², K = ½mυ², E = ½DA², διατήρηση ενέργειας
Στο τραμπολίνο, στο μπάντζι τζάμπινγκ ή σε ένα σώμα σε ελατήριο, η ενέργεια αλλάζει συνεχώς μορφή, αλλά το «ταμείο» μένει σταθερό. Με μία εξίσωση ενέργειας βρίσκεις πλάτος, ταχύτητα σε οποιαδήποτε θέση και σημεία όπου — χωρίς να λύσεις καμία τριγωνομετρική εξίσωση. Είναι το πιο γρήγορο εργαλείο στα ερωτήματα των Θεμάτων Γ και Δ.
Η ενέργεια της ταλάντωσης
Η ενέργεια «ταξιδεύει» συνεχώς ανάμεσα σε δυναμική ενέργεια ταλάντωσης και κινητική , ενώ το άθροισμά τους μένει σταθερό (αμείωτη ταλάντωση):
Στα άκρα όλη η ενέργεια είναι δυναμική, στη θέση ισορροπίας όλη κινητική. Κλασική ερώτηση: πού ισχύει ; Από προκύπτει .
Απόδειξη: από πού βγαίνει το
Η δύναμη επαναφοράς είναι συντηρητική. Για να πάει το σώμα από τη θέση ισορροπίας στη θέση , το έργο της ισούται με το (αρνητικό) εμβαδόν του τριγώνου στο διάγραμμα –:
Επαλήθευση με τις εξισώσεις κίνησης ():
Η ολική ενέργεια ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους. Στο διάγραμμα – η είναι παραβολή, η ανεστραμμένη παραβολή, και το άθροισμά τους οριζόντια ευθεία.
Ταχύτητα σε τυχαία θέση
Από τη διατήρηση της ενέργειας ταλάντωσης και προκύπτει μια σχέση που δεν χρειάζεται τον χρόνο:
Το πρόσημο το καθορίζει η φορά κίνησης τη δεδομένη στιγμή. Αντίστοιχα και : ο λόγος αλλάζει με το τετράγωνο της απομάκρυνσης.
Σώμα εκτελεί ΑΑΤ πλάτους . Όταν βρίσκεται στη θέση , ποιο κλάσμα της ολικής ενέργειας είναι κινητική;
Μέθοδος: η ενεργειακή μέθοδος στην ΑΑΤ
- Γράψε τη διατήρηση ενέργειας ταλάντωσης (ΑΔΕΤ): .
- Πλάτος από ένα ζεύγος : . Αν το σώμα ξεκινά από τη θέση ισορροπίας με : .
- Λόγοι ενεργειών: και . Για : .
- Προσοχή σε κατακόρυφο ελατήριο: το (μετρημένο από τη θέση ισορροπίας) αντικαθιστά μαζί ελαστική και βαρυτική ενέργεια. Αν ζητηθεί η ελαστική ενέργεια ή το έργο της δύναμης του ελατηρίου, γύρνα στην παραμόρφωση από το φυσικό μήκος: .
Άσκηση (τύπου Πανελληνίων): Σώμα μάζας δένεται σε οριζόντιο ελατήριο σταθεράς και εκτελεί ΑΑΤ πλάτους . Να βρεθούν: (α) η γωνιακή συχνότητα και η περίοδος, (β) η ολική ενέργεια, (γ) η μέγιστη ταχύτητα.
Λύση:
(α) και .
(β) .
(γ) Από : (ή απευθείας ).
Άσκηση: Σώμα μάζας είναι δεμένο σε οριζόντιο ελατήριο και εκτελεί ΑΑΤ. Όταν περνά από τη θέση , έχει ταχύτητα μέτρου . Να βρεθούν: (α) η ολική ενέργεια και το πλάτος, (β) η μέγιστη ταχύτητα, (γ) οι θέσεις όπου .
Λύση:
(α) . Από : , άρα .
(β) (ή ).
(γ) .
Θέμα τύπου Πανελλαδικών (Θέμα Γ): Σώμα μάζας ισορροπεί δεμένο στο κάτω άκρο κατακόρυφου ελατηρίου . Τη στιγμή του δίνουμε ταχύτητα προς τα κάτω. Θετική φορά προς τα κάτω, . (α) Να βρείτε το πλάτος και την ενέργεια ταλάντωσης. (β) Να γράψετε την . (γ) Να βρείτε το έργο της δύναμης του ελατηρίου από τη θέση ισορροπίας μέχρι την κατώτατη θέση.
Δεδομένα: , , στη θέση ισορροπίας, . Ζητούμενα: , , , .
Λύση:
(α) . Στη θέση ισορροπίας , άρα . (έλεγχος: ✓).
(β) Στο θέση ισορροπίας με , άρα : (S.I.).
(γ) Θέση ισορροπίας: . Το έργο της δύναμης του ελατηρίου είναι μείον τη μεταβολή της ελαστικής ενέργειας:
Έλεγχος με ΘΜΚΕ: ✓.
Απάντηση: , , , — όχι : η ενέργεια ταλάντωσης δεν είναι η ελαστική ενέργεια.
Σύστημα μάζας–ελατηρίου ταλαντώνεται με πλάτος . Αν το θέσουμε ξανά σε ταλάντωση με πλάτος , τότε:
Σώμα εκτελεί ΑΑΤ. Τη στιγμή που το μέτρο της ταχύτητάς του είναι , ο λόγος της δυναμικής προς την κινητική ενέργεια ταλάντωσης είναι:
Δύο σώματα με μάζες και είναι δεμένα σε όμοια ελατήρια σταθεράς και ταλαντώνονται με το ίδιο πλάτος . Τι ισχύει για τις ενέργειες ταλάντωσης και τις μέγιστες ταχύτητες;
Η κινητική και η δυναμική ενέργεια ταλαντώνονται με διπλάσια συχνότητα από το ίδιο το σώμα. Επειδή , η γίνεται μέγιστη δύο φορές σε κάθε περίοδο (σε κάθε πέρασμα από τη θέση ισορροπίας) και η περίοδός της είναι .
Δύο «φωτογραφίες» αρκούν. Σώμα εκτελεί ΑΑΤ. Σε μια στιγμή βρίσκεται στη θέση με ταχύτητα μέτρου , και σε μια άλλη στιγμή στη θέση με . Χωρίς να ξέρεις ούτε τη μάζα ούτε τη σταθερά του ελατηρίου, βρες: (α) τη γωνιακή συχνότητα και το πλάτος , (β) τη μέγιστη ταχύτητα, (γ) σε ποιες θέσεις η κινητική ενέργεια ισούται με τη δυναμική.
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
Από τη σχέση για τις δύο θέσεις:
(α) Αφαιρούμε κατά μέλη: , άρα και . Τότε , άρα .
(β) .
(γ) σημαίνει : .
Απάντηση: , , , και στο . Πρόσεξες τα ––; Οι θέσεις και οι λόγοι έκρυβαν ένα πυθαγόρειο τρίγωνο.
- Ενέργεια ταλάντωσης = ελαστική ενέργεια. Σε κατακόρυφο ελατήριο μετρά από τη θέση ισορροπίας· η ελαστική είναι .
- Μισή ταχύτητα, μισή κινητική. Η πάει με το τετράγωνο: σημαίνει .
- στο . Στο είναι · το συμβαίνει στο .
- Ξεχασμένο . Κάθε τιμή του αντιστοιχεί σε δύο θέσεις, συμμετρικές ως προς τη θέση ισορροπίας.
- (από το έργο της ), .
- Αμείωτη ΑΑΤ: σταθερή, ανάλογη του .
- , , στο .
- Η ενέργεια ταλάντωσης εξαρτάται από και , όχι από τη μάζα.
- Σε κατακόρυφο ελατήριο το δεν είναι η ελαστική ενέργεια.