Задача по физике, объясните решение, прошу Груз массой 400 г, подвешенный на лёгкой пружине, совершает свободные вертикальные гармонические колебания. На сколько надо увеличить массу груза, чтобы частота его свободных вертикальных колебаний на этой пружине стала в 2 раза меньше?
Для решения задачи давайте вспомним формулу для частоты свободных колебаний груза на пружине. Частота колебаний f f f определяются по формуле:
f=12πkm
f = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m}} f=2π1mk
где:
k k k — жесткость пружины,m m m — масса груза.
Согласно условию задачи, начальная масса груза равна m1=400 г=0.4 кг m_1 = 400 \, \text{г} = 0.4 \, \text{кг} m1=400г=0.4кг. Обозначим новую массу груза как m2 m_2 m2, которая нам нужна для того, чтобы частота f2 f_2 f2 колебаний стала в 2 раза меньше исходной частоты f1 f_1 f1:
Для решения задачи давайте вспомним формулу для частоты свободных колебаний груза на пружине. Частота колебаний f f f определяются по формуле:
f=12πkm f = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m}}
f=2π1 mk
где:
k k k — жесткость пружины,m m m — масса груза.Согласно условию задачи, начальная масса груза равна m1=400 г=0.4 кг m_1 = 400 \, \text{г} = 0.4 \, \text{кг} m1 =400г=0.4кг. Обозначим новую массу груза как m2 m_2 m2 , которая нам нужна для того, чтобы частота f2 f_2 f2 колебаний стала в 2 раза меньше исходной частоты f1 f_1 f1 :
f2=f12 f_2 = \frac{f_1}{2}
f2 =2f1
Подставив это в формулу для частоты, получаем:
f12=12πkm2 \frac{f_1}{2} = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_2}}
2f1 =2π1 m2 k
Теперь выразим f1 f_1 f1 :
f1=12πkm1 f_1 = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_1}}
f1 =2π1 m1 k
Теперь подставим f1 f_1 f1 в уравнение для f2 f_2 f2 :
12⋅12πkm1=12πkm2 \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_1}} = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_2}}
21 ⋅2π1 m1 k =2π1 m2 k
Убираем общий множитель 12π \frac{1}{2\pi} 2π1 :
12km1=km2 \frac{1}{2} \sqrt{\frac{k}{m_1}} = \sqrt{\frac{k}{m_2}}
21 m1 k =m2 k
Теперь возводим обе стороны в квадрат:
14⋅km1=km2 \frac{1}{4} \cdot \frac{k}{m_1} = \frac{k}{m_2}
41 ⋅m1 k =m2 k
Сокращаем на k k k предполагаем,что(k)неравнонулюпредполагаем, что ( k ) не равно нулюпредполагаем,что(k)неравнонулю:
14⋅1m1=1m2 \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{m_1} = \frac{1}{m_2}
41 ⋅m1 1 =m2 1
Поэтому:
m2=4m1 m_2 = 4 m_1
m2 =4m1
Теперь подставим значение m1=0.4 кг m_1 = 0.4 \, \text{кг} m1 =0.4кг:
m2=4⋅0.4=1.6 кг m_2 = 4 \cdot 0.4 = 1.6 \, \text{кг}
m2 =4⋅0.4=1.6кг
Чтобы найти, на сколько надо увеличить массу груза:
Δm=m2−m1=1.6−0.4=1.2 кг \Delta m = m_2 - m_1 = 1.6 - 0.4 = 1.2 \, \text{кг}
Δm=m2 −m1 =1.6−0.4=1.2кг
Таким образом, нужно увеличить массу груза на 1.2 кг, чтобы частота колебаний стала в 2 раза меньше.