
【機】 ****** harmonic motion
單擺運動(Simple Pendulum Motion)是經典力學中描述質點在小角度擺動下的周期性運動模型。該模型由質量可忽略的細繩和末端質點構成,在重力作用下圍繞固定點作往複運動。根據牛頓力學定律,單擺運動滿足以下數學關系:
$$ T = 2pi sqrt{frac{l}{g}} $$
其中$T$為擺動周期(單位:秒),$l$為擺長(單位:米),$g$為重力加速度(約9.8 m/s²)。該公式由荷蘭物理學家惠更斯于1673年推導得出,被稱為等時性定律[來源:Encyclopædia Britannica]。
在漢英詞典釋義中,"單擺"對應英語術語"simple pendulum",其核心特征包括:
該模型在工程領域具有重要應用價值,如精密計時裝置校準、地質勘探重力測量等。最新研究表明,納米級單擺系統在量子力學測量中展現出特殊效應[來源:Nature Physics 2024年6月刊]。
單擺運動是物理學中一個經典的運動模型,其核心特征如下:
單擺是由不可伸長的輕質細繩和末端的質點組成的理想化系統。繩子一端固定,質點在重力作用下在豎直平面内做周期性擺動。實際應用中,當擺球質量遠大于繩子質量且體積足夠小時,可近似視為單擺。
回複力來源
重力的切向分量提供回複力:$F = -mgsintheta$,其中$theta$為擺角。在小角度($theta < 5°$)條件下,$sintheta approx theta$,此時運動可視為簡諧振動。
周期公式
擺動周期與擺長$L$和重力加速度$g$相關:
$$
T = 2pisqrt{frac{L}{g}}
$$
該公式表明周期與擺球質量、振幅無關(限于小角度條件)。
系統在擺動過程中實現動能與重力勢能的相互轉化,忽略空氣阻力時機械能守恒。最高點勢能最大,最低點動能最大。
當擺角較大時,周期公式需修正為: $$ T = 2pisqrt{frac{L}{g}}left(1 + frac{1}{4}sinfrac{theta_0}{2} + cdotsright) $$ 此時運動不再滿足簡諧振動條件,需用橢圓積分精确求解。
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