Zamknięcie działu 5

📌 Najważniejsze w pigułce (cały dział)

  1. Siła sprężystości zwraca ciało ku równowadze: $F = -kx$ (prawo Hooke'a, małe odkształcenia).
  2. Drgania opisują wychylenie, amplituda, okres, częstotliwość; okres małych drgań nie zależy od amplitudy.
  3. Energia w drganiach przelewa się $E_k \leftrightarrow E_p$ (suma stała bez oporów); realne drgania są tłumione.
  4. Rezonans = duża amplituda, gdy wymuszenie trafia w częstotliwość własną.
  5. [R] Ruch harmoniczny $x(t)=A\cos(\omega t+\varphi)$, $a=-\omega^2x$; okresy: wahadło $T=2\pi\sqrt{l/g}$ (bez masy!), sprężyna $T=2\pi\sqrt{m/k}$; $E_p=\tfrac12 kx^2$; wyznaczanie $g=\tfrac{4\pi^2 l}{T^2}$.

📐 Słowniczek definicji działu 5

Termin Definicja (skrótowo)
Prawo Hooke'a $F=-kx$ — siła sprężystości proporcjonalna do wydłużenia, zwracająca
Wychylenie / amplituda odległość od równowagi / jej wartość maksymalna
Okres / częstotliwość czas jednego drgania / $f=1/T$ (Hz)
Rezonans mechaniczny wzrost amplitudy przy zgodności wymuszenia z częstotliwością własną
[R] Współczynnik sprężystości $k=F/x$ (N/m)
[R] Ruch harmoniczny $x(t)=A\cos(\omega t+\varphi)$; $\omega=2\pi/T$; $a=-\omega^2x$
[R] Okres wahadła / sprężyny $T=2\pi\sqrt{l/g}$ / $T=2\pi\sqrt{m/k}$
[R] Energia potencjalna sprężystości $E_p=\tfrac12 kx^2$

🎒 Sprawdzian działowy

Z1. Wahadło wykonuje 20 drgań w 40 s. Okres i częstotliwość?

Pokaż rozwiązanie

$T = 40/20 = 2\ \text{s}$; $f = 0{,}5\ \text{Hz}$.

Z2. Gdzie w czasie drgań ciało ma maksymalną prędkość, a gdzie maksymalne wychylenie?

Pokaż rozwiązanie

Maks. prędkość — w położeniu równowagi; maks. wychylenie = amplituda (tam prędkość = 0).

Z3. Wyjaśnij, na czym polega rezonans, i podaj jeden przykład pożyteczny i jeden groźny.

Pokaż rozwiązanie

Rezonans = wzrost amplitudy przy zgodności wymuszenia z częstotliwością własną. Pożyteczny: rozbujanie huśtawki, działanie instrumentów. Groźny: rozkołysanie mostu/konstrukcji, pękający kieliszek.

Z4. [R] Ciężarek na sprężynie ($k=80\ \tfrac{\text{N}}{\text{m}}$, $m=0{,}2\ \text{kg}$). Okres drgań? ($\pi\approx3{,}14$)

Pokaż rozwiązanie

$T = 2\pi\sqrt{m/k} = 6{,}28\sqrt{0{,}2/80} = 6{,}28\sqrt{0{,}0025} = 6{,}28\cdot 0{,}05 \approx 0{,}31\ \text{s}$.

Z5. [R] Jak zmieni się okres ciężarka na sprężynie, gdy masę zwiększymy czterokrotnie?

Pokaż rozwiązanie

$T \sim \sqrt{m}$, więc czterokrotny wzrost masy → okres ×2.

Z6. [R] Wahadło o długości $2{,}45\ \text{m}$ ma okres $3{,}14\ \text{s}$. Oszacuj $g$. ($\pi^2\approx9{,}87$)

Pokaż rozwiązanie

$g = \tfrac{4\pi^2 l}{T^2} = \tfrac{4\cdot 9{,}87\cdot 2{,}45}{3{,}14^2} = \tfrac{96{,}7}{9{,}86} \approx 9{,}8\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$.

🔍 Sprawdź, czy umiesz (cele działu)

  • [ ] Opisać siłę sprężystości (prawo Hooke'a) i wielkości drgań.
  • [ ] Analizować przemiany energii w ruchu drgającym.
  • [ ] Opisać rezonans i odróżnić go od drgań wymuszonych.
  • [ ] Zaplanować doświadczenia z wahadłem i sprężyną.
  • [ ] [R] Opisać ruch harmoniczny, stosować wzory na okres i energię, wyznaczać $g$ wahadłem.