Решить задачу по физике Закон движения грузика, прикрепленного к пружине, в отсутствии затухания имеет вид Х (t) = x0 Sin (wt + φ0), Где x0 = 0,01 - амплитуда колебания, w = 1,57 рад/c – циклическая частота, φ0 = 0 – начальная фаза. Определить начальную координату, начальные и максимальные значения скорости и ускорения грузика. Построить графики зависимости координаты, скорости и ускорения от времени.
Для построения графиков можно использовать программное обеспечение, например, Python с библиотеками Matplotlib и NumPy. Вы можете задать временной интервал например,от0до10секунднапример, от 0 до 10 секунднапример,от0до10секунд и выбранный шаг времени.
Пример простого кода на Python для построения графиков:
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # Параметры x0 = 0.01 w = 1.57 # Время t = np.linspace0,10,10000, 10, 10000,10,1000 # Координаты, скорость и ускорение X = x0 * np.sinw∗tw * tw∗t
V = x0 * w * np.cosw∗tw * tw∗t
A = -x0 * w∗∗2w ** 2w∗∗2 * np.sinw∗tw * tw∗t # Построение графиков plt.figurefigsize=(12,8)figsize=(12, 8)figsize=(12,8) # График перемещения plt.subplot3,1,13, 1, 13,1,1
plt.plott,X,label=′X(t)′,color=′blue′t, X, label='X(t)', color='blue't,X,label=′X(t)′,color=′blue′
plt.title′Зависимостькоординатыотвремени′'Зависимость координаты от времени'′Зависимостькоординатыотвремени′
plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′
plt.ylabel′Координата(м)′'Координата (м)'′Координата(м)′
plt.grid
plt.legend # График скорости plt.subplot3,1,23, 1, 23,1,2
plt.plott,V,label=′V(t)′,color=′green′t, V, label='V(t)', color='green't,V,label=′V(t)′,color=′green′
plt.title′Зависимостьскоростиотвремени′'Зависимость скорости от времени'′Зависимостьскоростиотвремени′
plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′
plt.ylabel′Скорость(м/с)′'Скорость (м/с)'′Скорость(м/с)′
plt.grid
plt.legend # График ускорения plt.subplot3,1,33, 1, 33,1,3
plt.plott,A,label=′A(t)′,color=′red′t, A, label='A(t)', color='red't,A,label=′A(t)′,color=′red′
plt.title′Зависимостьускоренияотвремени′'Зависимость ускорения от времени'′Зависимостьускоренияотвремени′
plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′
plt.ylabel′Ускорение(м/с2)′'Ускорение (м/с²)'′Ускорение(м/с2)′
plt.grid
plt.legend plt.tight_layoutplt.show
Запустив этот код, вы получите графики зависимости координаты, скорости и ускорения от времени.
Для решения задачи можем рассмотреть движение грузика, прикрепленного к пружине, согласно данному закону.
1. Начальная координата Х(0)Х(0)Х(0): Подставляем t=0 t = 0 t=0 в закон движения:
X(0)=x0⋅sin(w⋅0+ϕ0)=0,01⋅sin(0)=0 X(0) = x_0 \cdot \sin(w \cdot 0 + \phi_0) = 0,01 \cdot \sin(0) = 0
X(0)=x0 ⋅sin(w⋅0+ϕ0 )=0,01⋅sin(0)=0 Начальная координата X(0)=0X(0) = 0X(0)=0.
2. Начальная скорость V(0)V(0)V(0): Сначала найдем скорость, взяв производную от координаты по времени:
V(t)=dXdt=ddt(x0sin(wt+ϕ0))=x0⋅w⋅cos(wt+ϕ0) V(t) = \frac{dX}{dt} = \frac{d}{dt}(x_0 \sin(wt + \phi_0)) = x_0 \cdot w \cdot \cos(wt + \phi_0)
V(t)=dtdX =dtd (x0 sin(wt+ϕ0 ))=x0 ⋅w⋅cos(wt+ϕ0 ) Теперь подставим t=0t = 0t=0:
V(0)=0,01⋅1,57⋅cos(0)=0,01⋅1,57=0,0157 м/с V(0) = 0,01 \cdot 1,57 \cdot \cos(0) = 0,01 \cdot 1,57 = 0,0157 \, \text{м/с}
V(0)=0,01⋅1,57⋅cos(0)=0,01⋅1,57=0,0157м/с Начальная скорость V(0)=0,0157 м/сV(0) = 0,0157\, \text{м/с}V(0)=0,0157м/с.
3. Максимальная скорость: Максимальная скорость достигается, когда cos(wt+ϕ<em>0)=1\cos(wt + \phi<em>0) = 1cos(wt+ϕ<em>0)=1:
V</em>max=x<em>0⋅w=0,01⋅1,57=0,0157 м/с V</em>{\text{max}} = x<em>0 \cdot w = 0,01 \cdot 1,57 = 0,0157 \, \text{м/с}
V</em>max=x<em>0⋅w=0,01⋅1,57=0,0157м/с **Максимальная скорость V</em>max=0,0157 м/сV</em>{\text{max}} = 0,0157 \, \text{м/с}V</em>max=0,0157м/с.**
4. Начальное ускорение A(0)A(0)A(0): Найдем ускорение, взяв производную скорости по времени:
A(t)=dVdt=ddt(x0⋅w⋅cos(wt+ϕ0))=−x0⋅w2⋅sin(wt+ϕ0) A(t) = \frac{dV}{dt} = \frac{d}{dt}(x_0 \cdot w \cdot \cos(wt + \phi_0)) = -x_0 \cdot w^2 \cdot \sin(wt + \phi_0)
A(t)=dtdV =dtd (x0 ⋅w⋅cos(wt+ϕ0 ))=−x0 ⋅w2⋅sin(wt+ϕ0 ) Теперь подставим t=0t = 0t=0:
A(0)=−0,01⋅(1,572)⋅sin(0)=0 A(0) = -0,01 \cdot (1,57^2) \cdot \sin(0) = 0
A(0)=−0,01⋅(1,572)⋅sin(0)=0 Начальное ускорение A(0)=0A(0) = 0A(0)=0.
5. Максимальное ускорение: Максимальное ускорение достигается, когда sin(wt+ϕ<em>0)=1\sin(wt + \phi<em>0) = 1sin(wt+ϕ<em>0)=1:
A</em>max=x<em>0⋅w2=0,01⋅(1,572)=0,01⋅2,4649≈0,024649 м/с2 A</em>{\text{max}} = x<em>0 \cdot w^2 = 0,01 \cdot (1,57^2) = 0,01 \cdot 2,4649 \approx 0,024649 \, \text{м/с}^2
A</em>max=x<em>0⋅w2=0,01⋅(1,572)=0,01⋅2,4649≈0,024649м/с2 **Максимальное ускорение A</em>max≈0,024649 м/с2A</em>{\text{max}} \approx 0,024649 \, \text{м/с}^2A</em>max≈0,024649м/с2.**
Графики зависимости:
Для построения графиков зависимостей координаты, скорости и ускорения от времени используем полученные уравнения:
Координата:X(t)=0,01⋅sin(1,57t) X(t) = 0,01 \cdot \sin(1,57t)
X(t)=0,01⋅sin(1,57t)Скорость:
V(t)=0,01⋅1,57⋅cos(1,57t) V(t) = 0,01 \cdot 1,57 \cdot \cos(1,57t)
V(t)=0,01⋅1,57⋅cos(1,57t)Ускорение:
A(t)=−0,01⋅(1,572)⋅sin(1,57t)≈−0,024649⋅sin(1,57t) A(t) = -0,01 \cdot (1,57^2) \cdot \sin(1,57t) \approx -0,024649 \cdot \sin(1,57t)
A(t)=−0,01⋅(1,572)⋅sin(1,57t)≈−0,024649⋅sin(1,57t)
Для построения графиков можно использовать программное обеспечение, например, Python с библиотеками Matplotlib и NumPy. Вы можете задать временной интервал например,от0до10секунднапример, от 0 до 10 секунднапример,от0до10секунд и выбранный шаг времени.
Пример простого кода на Python для построения графиков:
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt
# Параметры
x0 = 0.01
w = 1.57
# Время
t = np.linspace0,10,10000, 10, 10000,10,1000
# Координаты, скорость и ускорение
X = x0 * np.sinw∗tw * tw∗t V = x0 * w * np.cosw∗tw * tw∗t A = -x0 * w∗∗2w ** 2w∗∗2 * np.sinw∗tw * tw∗t
# Построение графиков
plt.figurefigsize=(12,8)figsize=(12, 8)figsize=(12,8)
# График перемещения
plt.subplot3,1,13, 1, 13,1,1 plt.plott,X,label=′X(t)′,color=′blue′t, X, label='X(t)', color='blue't,X,label=′X(t)′,color=′blue′ plt.title′Зависимостькоординатыотвремени′'Зависимость координаты от времени'′Зависимостькоординатыотвремени′ plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′ plt.ylabel′Координата(м)′'Координата (м)'′Координата(м)′ plt.grid plt.legend
# График скорости
plt.subplot3,1,23, 1, 23,1,2 plt.plott,V,label=′V(t)′,color=′green′t, V, label='V(t)', color='green't,V,label=′V(t)′,color=′green′ plt.title′Зависимостьскоростиотвремени′'Зависимость скорости от времени'′Зависимостьскоростиотвремени′ plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′ plt.ylabel′Скорость(м/с)′'Скорость (м/с)'′Скорость(м/с)′ plt.grid plt.legend
# График ускорения
plt.subplot3,1,33, 1, 33,1,3 plt.plott,A,label=′A(t)′,color=′red′t, A, label='A(t)', color='red't,A,label=′A(t)′,color=′red′ plt.title′Зависимостьускоренияотвремени′'Зависимость ускорения от времени'′Зависимостьускоренияотвремени′ plt.xlabel′Время(с)′'Время (с)'′Время(с)′ plt.ylabel′Ускорение(м/с2)′'Ускорение (м/с²)'′Ускорение(м/с2)′ plt.grid plt.legend
plt.tight_layout plt.show
Запустив этот код, вы получите графики зависимости координаты, скорости и ускорения от времени.