15.6: 简谐运动和均匀圆周运动

Simple Harmonic Motion and Uniform Circular Motion
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Physics
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Simple Harmonic Motion and Uniform Circular Motion
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01:42 min
April 30, 2023

Overview

虽然简谐运动和匀速圆周运动可能是两个独立的概念,但它们彼此相关和相互关联。简谐运动是系统中的振荡运动,其中合力可以用胡克定律来描述,而匀速圆周运动是物体在圆周路径中以恒定速度运动。

有一种简单的方法可以通过使用匀速圆周运动来产生简谐运动。例如,考虑一个球连接到均匀旋转的垂直转盘上,其阴影投射在地板上。在这里,阴影的位置(也称为投影)执行简谐运动。胡克定律通常描述匀速圆周运动( 常数),而不是具有大可见位移的系统。因此,观察匀速圆周运动的投影通常比观察精确的大尺度简谐振荡器更容易。

另一个示例是电唱机进行匀速圆周运动。考虑在转盘外边缘的某一点连接一根定位杆,在定位销的另一端连接一支笔。当唱片机转动时,笔会移动。如果我们在笔下拖动一张长纸,它的运动会被捕捉为波浪。由此可以理解,简谐运动是匀速圆周运动沿发生圆周运动的圆直径的投影。

本文改编自 Openstax, 大学物理, 第 16.6 节:匀速圆周运动和简谐运动Openstax, 大学物理学 第 1 卷, 第 15.3 节: 比较简谐运动和圆周运动.

Transcript

考虑一下距离地球中心 A 的月球,以恒定的角速度以圆周运动旋转。

设地心为位移-时间坐标系的原点。当月球移动到位置 P 时,它在 x 轴上的投影 P‘ 会形成一个角度 Ф

当月球在任何时间 t 绕地球进一步移动时,它的角度为 ωt+Ф。根据月球在 x 轴或 y 轴上的投影,投影的位置可以用余弦或正弦函数表示。

月球的周期可以由地球轨道的周长与其速度的关系来给出。从能量守恒中调用速度方程并对其进行修改,确定月球投影的周期。

月球的速度是切向作用的,而月球的加速度是径向向内的。

月球速度和加速度的 x 分量等于月球投影的速度和加速度。它们的大小是通过调用速度和加速度方程获得的。

据观察,月球投影的时间段、位置、速度和加速度方程类似于简单的谐振子。

因此,匀速圆周运动沿发生圆周运动的圆的直径投影表示简谐运动。

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