Как объяснить поведение маятника, если его подвеска постепенно удлиняется во времени: как изменятся период колебаний, амплитуда и энергия системы, и какие реальные механизмы и приближения нужно учитывать при анализе такого процесса
Коротко — поведение маятника при плавном удлинении подвеса описывается двумя простыми эффектами: период растёт, угловая амплитуда уменьшается прималыхуглахпри малых углахпрималыхуглах и полная механическая энергия меняется обычноубываетобычно убываетобычноубывает, потому что при изменении длины производится работа механизма, который удлиняет нить. Ниже — более детально с формулами, физикой и оговорками.
1) Уравнение движения общееобщееобщее
Для плоского маятника с меняющейся длиной rttt в полярных координатах координатауглаθкоордината угла θкоординатауглаθ: θ̈ + 2 r˙/rṙ/rr˙/r θ̇ + g/rg/rg/r sin θ = 0. Это показывает дополнительный «затухающий» член 2 r˙/rṙ/rr˙/r θ̇ при ṙ>0 удлинениеудлинениеудлинение, он уменьшает угловую скорость и амплитуду.
Энергия системы кинетическая+потенциальнаякинетическая + потенциальнаякинетическая+потенциальная: E = 1/2 m r˙2+r2θ˙2ṙ^2 + r^2 θ̇^2r˙2+r2θ˙2 + m g r 1−cosθ1 − cos θ1−cosθ. При изменении r внешняя радиальнаярадиальнаярадиальная сила/мотор выполняет работу и E в общем случае меняется.
2) Период В малых углах и при фиксированной L период классический: T = 2π sqrtL/gL/gL/g. Если L растёт плавно, период растёт как sqrtLLL: Tttt ∝ √L(t)L(t)L(t). Это справедливо пока малый угол и локальная гравитация постоянна.
3) Аддитивный адиабатическийадиабатическийадиабатический случай: очень медленное удлинение Если длина меняется «медленно» по сравнению с периодом (адiabatic условие: |L̇| << ω L, где ω = √(g/L)), то действует принцип адиабатического инварианта. В приближении малых углов маятник — гармонический осциллятор, и его действие I = E/ω сохраняется, откуда E ∝ ω ∝ √g/Lg/Lg/L ⇒ Ettt ∝ Lttt^−1/2−1/2−1/2.
Из этого следуют масштабы амплитуд:
угловая амплитуда θ0ttt: из E ≈ 1/21/21/2 m g L θ0^2 малыеуглымалые углымалыеуглы получаем θ0ttt ∝ Lttt^−3/4−3/4−3/4. То есть угловая амплитуда уменьшается довольно быстро при удлинении.линейная дуговаядуговаядуговая амплитуда s = L θ0: sttt ∝ Lttt^1/41/41/4 — при медленном удлинении дуговая амплитуда растёт медленно посколькуLмножитсянаθ0,дающегослабыйростпоскольку L множится на θ0, дающего слабый ростпосколькуLмножитсянаθ0,дающегослабыйрост.
Интуиция: угловая амплитуда падает, но из‑за увеличения радиуса перемещение по дуге немного растёт.
Энергия: при медленном росте L энергия падает как L^−1/2−1/2−1/2. Физически это означает, что при выдвижении подвеса механизм отнимает часть кинетической энергии онвыполняетработупротивцентростремительныхсилон выполняет работу против центростремительных силонвыполняетработупротивцентростремительныхсил.
4) Быстрое или импульсное изменение длины Если длина изменяется быстро например,мгновенноудлиняютнитьнапример, мгновенно удлиняют нитьнапример,мгновенноудлиняютнить, адиабатический инвариант не выполняется. В этом случае возможны разные результаты:
при мгновенном удлинении при неизменной угловой скорости кинетическая энергия в новой системе может оказаться выше или ниже исходной в зависимости от момента фазового положения; в общем амплитуда может резко измениться обычноуменьшитьсяобычно уменьшитьсяобычноуменьшиться.при «правильном» синхронном изменении длины шаговоеилипериодическоеизменениеначастоте2ωшаговое или периодическое изменение на частоте 2ωшаговоеилипериодическоеизменениеначастоте2ω можно запитать или отнять энергию — эффект параметрической накачки илизатуханияили затуханияилизатухания.
5) Скорость изменения длины: критерий «медленно» Практический критерий адiabatic: изменение длины за один период должно быть маленьким: |ΔL|/L per period ≪ 1 ⇔ |L̇| ≪ L ω = L √g/Lg/Lg/L = √gLg LgL.
6) Реальные механизмы и приближения, которые надо учитывать
Малые углы: большинство приведённых формул особенноаналитическиемасштабыособенно аналитические масштабыособенноаналитическиемасштабы базируются на sin θ ≈ θ. При больших углах период зависит от амплитуды эллиптическиеинтегралыэллиптические интегралыэллиптическиеинтегралы.Удлинение нити: считаем нить/штангу невесомой, неупругой. Если нить растягивается упруго, то нужна учёт упругости и собственных колебаний нити.Масса подвеса нити, момент инерции и распределённость массы груза далеко от точки — всё меняет уравнения.Трение в шарнире, сопротивление воздуха — диссипация уменьшит энергию дополнительно.Работа механизма: фактическая энергия маятника меняется за счёт работы мотора/катушки; надо учесть силу натяжения и механизм удлинения реакциябарабана,тренияреакция барабана, тренияреакциябарабана,трения.Поперечное смещение центра масс при изменении «длины» есличеловекнакачеляхподтягиваетсяесли человек на качелях подтягиваетсяесличеловекнакачеляхподтягивается — сложная геометрия и возможность накачки энергии при правильной фазировке.Если длина изменяется периодически с частотой близкой к 2ω, возможны параметрыческие резонансы прибавлениеэнергииприбавление энергииприбавлениеэнергии.Корректность адiabatic приближения и конечное время протекания процесса: для практических расчётов можно численно интегрировать уравнение θ̈ + 2 L˙/LL̇/LL˙/L θ̇ + g/Lg/Lg/L sin θ.
7) Итоговые практические выводы
Период увеличивается ∝ √L.При очень медленном удлинении: полная энергия уменьшается ∝ L^−1/2−1/2−1/2; угловая амплитуда θ0 ∝ L^−3/4−3/4−3/4; дуговая амплитуда s = L θ0 ∝ L^1/41/41/4.При быстром/импульсном изменении результатов ждать нельзя — амплитуда и энергия могут резко измениться, возможна и накачка энергии при специально подобранном режиме.В анализе учитывать малый угол, скорость изменения длины адiabaticадiabaticадiabatic, трения, массу и упругость подвеса, работу механизма удлинения.
Если хотите, могу:
вывести формулы подробнее выведениедействия,пунктзапунктомвыведение действия, пункт за пунктомвыведениедействия,пунктзапунктом,дать численный пример для конкретной зависимости LtttнапримерL(t)=L0(1+αt)например L(t)=L0(1+α t)напримерL(t)=L0(1+αt) и начальных условий,или показать модель и численную интеграцию уравнения движения для иллюстрации.
Коротко — поведение маятника при плавном удлинении подвеса описывается двумя простыми эффектами: период растёт, угловая амплитуда уменьшается прималыхуглахпри малых углахпрималыхуглах и полная механическая энергия меняется обычноубываетобычно убываетобычноубывает, потому что при изменении длины производится работа механизма, который удлиняет нить. Ниже — более детально с формулами, физикой и оговорками.
1) Уравнение движения общееобщееобщее Для плоского маятника с меняющейся длиной rttt в полярных координатах координатауглаθкоордината угла θкоординатауглаθ:
θ̈ + 2 r˙/rṙ/rr˙/r θ̇ + g/rg/rg/r sin θ = 0.
Это показывает дополнительный «затухающий» член 2 r˙/rṙ/rr˙/r θ̇ при ṙ>0 удлинениеудлинениеудлинение, он уменьшает угловую скорость и амплитуду.
Энергия системы кинетическая+потенциальнаякинетическая + потенциальнаякинетическая+потенциальная:
E = 1/2 m r˙2+r2θ˙2ṙ^2 + r^2 θ̇^2r˙2+r2θ˙2 + m g r 1−cosθ1 − cos θ1−cosθ.
При изменении r внешняя радиальнаярадиальнаярадиальная сила/мотор выполняет работу и E в общем случае меняется.
2) Период
В малых углах и при фиксированной L период классический:
T = 2π sqrtL/gL/gL/g.
Если L растёт плавно, период растёт как sqrtLLL: Tttt ∝ √L(t)L(t)L(t). Это справедливо пока малый угол и локальная гравитация постоянна.
3) Аддитивный адиабатическийадиабатическийадиабатический случай: очень медленное удлинение
Если длина меняется «медленно» по сравнению с периодом (адiabatic условие: |L̇| << ω L, где ω = √(g/L)), то действует принцип адиабатического инварианта. В приближении малых углов маятник — гармонический осциллятор, и его действие I = E/ω сохраняется, откуда
E ∝ ω ∝ √g/Lg/Lg/L ⇒ Ettt ∝ Lttt^−1/2−1/2−1/2.
Из этого следуют масштабы амплитуд:
угловая амплитуда θ0ttt: из E ≈ 1/21/21/2 m g L θ0^2 малыеуглымалые углымалыеуглы получаемθ0ttt ∝ Lttt^−3/4−3/4−3/4.
То есть угловая амплитуда уменьшается довольно быстро при удлинении.линейная дуговаядуговаядуговая амплитуда s = L θ0:
sttt ∝ Lttt^1/41/41/4 — при медленном удлинении дуговая амплитуда растёт медленно посколькуLмножитсянаθ0,дающегослабыйростпоскольку L множится на θ0, дающего слабый ростпосколькуLмножитсянаθ0,дающегослабыйрост.
Интуиция: угловая амплитуда падает, но из‑за увеличения радиуса перемещение по дуге немного растёт.
Энергия: при медленном росте L энергия падает как L^−1/2−1/2−1/2. Физически это означает, что при выдвижении подвеса механизм отнимает часть кинетической энергии онвыполняетработупротивцентростремительныхсилон выполняет работу против центростремительных силонвыполняетработупротивцентростремительныхсил.
4) Быстрое или импульсное изменение длины
при мгновенном удлинении при неизменной угловой скорости кинетическая энергия в новой системе может оказаться выше или ниже исходной в зависимости от момента фазового положения; в общем амплитуда может резко измениться обычноуменьшитьсяобычно уменьшитьсяобычноуменьшиться.при «правильном» синхронном изменении длины шаговоеилипериодическоеизменениеначастоте2ωшаговое или периодическое изменение на частоте 2ωшаговоеилипериодическоеизменениеначастоте2ω можно запитать или отнять энергию — эффект параметрической накачки илизатуханияили затуханияилизатухания.Если длина изменяется быстро например,мгновенноудлиняютнитьнапример, мгновенно удлиняют нитьнапример,мгновенноудлиняютнить, адиабатический инвариант не выполняется. В этом случае возможны разные результаты:
5) Скорость изменения длины: критерий «медленно»
Практический критерий адiabatic: изменение длины за один период должно быть маленьким:
|ΔL|/L per period ≪ 1 ⇔ |L̇| ≪ L ω = L √g/Lg/Lg/L = √gLg LgL.
6) Реальные механизмы и приближения, которые надо учитывать
Малые углы: большинство приведённых формул особенноаналитическиемасштабыособенно аналитические масштабыособенноаналитическиемасштабы базируются на sin θ ≈ θ. При больших углах период зависит от амплитуды эллиптическиеинтегралыэллиптические интегралыэллиптическиеинтегралы.Удлинение нити: считаем нить/штангу невесомой, неупругой. Если нить растягивается упруго, то нужна учёт упругости и собственных колебаний нити.Масса подвеса нити, момент инерции и распределённость массы груза далеко от точки — всё меняет уравнения.Трение в шарнире, сопротивление воздуха — диссипация уменьшит энергию дополнительно.Работа механизма: фактическая энергия маятника меняется за счёт работы мотора/катушки; надо учесть силу натяжения и механизм удлинения реакциябарабана,тренияреакция барабана, тренияреакциябарабана,трения.Поперечное смещение центра масс при изменении «длины» есличеловекнакачеляхподтягиваетсяесли человек на качелях подтягиваетсяесличеловекнакачеляхподтягивается — сложная геометрия и возможность накачки энергии при правильной фазировке.Если длина изменяется периодически с частотой близкой к 2ω, возможны параметрыческие резонансы прибавлениеэнергииприбавление энергииприбавлениеэнергии.Корректность адiabatic приближения и конечное время протекания процесса: для практических расчётов можно численно интегрировать уравнение θ̈ + 2 L˙/LL̇/LL˙/L θ̇ + g/Lg/Lg/L sin θ.7) Итоговые практические выводы
Период увеличивается ∝ √L.При очень медленном удлинении: полная энергия уменьшается ∝ L^−1/2−1/2−1/2; угловая амплитуда θ0 ∝ L^−3/4−3/4−3/4; дуговая амплитуда s = L θ0 ∝ L^1/41/41/4.При быстром/импульсном изменении результатов ждать нельзя — амплитуда и энергия могут резко измениться, возможна и накачка энергии при специально подобранном режиме.В анализе учитывать малый угол, скорость изменения длины адiabaticадiabaticадiabatic, трения, массу и упругость подвеса, работу механизма удлинения.Если хотите, могу:
вывести формулы подробнее выведениедействия,пунктзапунктомвыведение действия, пункт за пунктомвыведениедействия,пунктзапунктом,дать численный пример для конкретной зависимости Lttt напримерL(t)=L0(1+αt)например L(t)=L0(1+α t)напримерL(t)=L0(1+αt) и начальных условий,или показать модель и численную интеграцию уравнения движения для иллюстрации.