Con lắc lò xo – Phần mềm mô phỏng – Vật lý kỹ thuật

“Con lắc lò xo” là chương trình máy tính mô phỏng dao động của một vật gắn trên lò xo, một trường hợp điển hình của dao động tử điều hoà. Chương trình diễn tả lần lượt về dao động điều hoà không ma sát, dao động dưới tác dụng của ma sát nhớt, dao động dưới tác dụng của ma sát khô. Các tham số của hệ dao động bao gồm: ly độ, vận tốc, gia tốc, lực, thế năng, động năng, năng lượng toàn phần được thể hiện trực tiếp qua vector và đồ thị.

Lưu ý : chương trình chạy trên nền java

Video minh hoạ

Dao động con lắc lò xo với ma sát khô

Hoạt động của con lắc lò xo ảo

Hệ gồm vật gắn liền với lò xo có khả năng chuyển động theo phương ngang. Giao diện tổng quan khi chương trình hoạt động:

Giáo diện tổng thể của chương trình “Con lắc lò xo”Trên bảng tinh chỉnh và điều khiển thí nghiệm, ta hoàn toàn có thể dùng chuột như một bàn tay kéo thả vật :
Con lắc lò xo với các tham số biểu diễn qua vectorTheo đó ta hoàn toàn có thể đổi khác thông số đàn hồi ( hay còn gọi độ cứng ) của lò xo, chọn một trong hai mô hình ma sát phổ cập : ma sát nhớt và ma sát khô. Các thanh trượt bên cạnh được cho phép tăng giảm độ ma sát. Khi cho thông số ma sát tiến về 0, ta cũng có được trường hợp giao động điều hòa không ma sát .
Nhịp độ mô phỏng hoàn toàn có thể biến hóa. Nhịp độ nhanh sẽ khiến hình ảnh xê dịch càng giống với thực tiễn. Nhịp độ chậm sẽ giúp giáo viên cùng học viên quan sát được kĩ quy trình hoán đổi pha giữa những đại lượng .
Song song với quy trình giao động của con lắc, giá trị của ly độ \ ( x ( t ) \ ), tốc độ \ ( v ( t ) \ ) và tần suất \ ( a ( t ) \ ) được hiển thị sinh động theo thời hạn :
Đồ thị ly độ \(x(t)\) và vận tốc \(v(t)\) vẽ trực tiếp theo thời gianQuy luật biến hóa của tần suất \ ( a ( t ) \ ) cũng xem như quy luật biến hóa của lực công dụng lên vật, do tại lực và tần suất tỉ lệ với nhau qua định luật Newton thứ hai :
\ [ \ vec { F } = m \ vec { a }. \ ]

Lực \(\vec{F}\) tác dụng lên vật theo phương ngang là tổng hợp từ lực đàn hồi bởi lò xo và lực ma sát với sàn. Lực đàn hồi mô phỏng theo định luật Hook:

\ [ \ vec { F_ { dh } } = – k \ vec { x }. \ ]
Trong trường hợp ma sát nhớt, lực ma sát tỉ lệ thuận với độ lớn tốc độ và luôn ngược chiều với tốc độ :
\ [ \ vec { F_ { ms } } = – 2 \ beta \ vec { v }. \ ]
Với trường hợp ma sát khô, lực ma sát nghỉ bằng với lực kéo, còn lực ma sát trượt bằng lực ma sát nghỉ cực lớn :
\ [ F_ { ms } = – \ mu mg. \ ]

Diễn biến của năng lượng theo thời gian cũng được tường thuật chi tiết. Sự hoán đổi lẫn nhau không ngừng giữa thế năng và động năng làm nên bức tranh tổng thể của năng lượng toàn phần:

Đồ thị thế năng, động năng và năng lượng toàn phần vẽ trực tiếp theo thời gianNăng lượng toàn phần còn được trình diễn dưới dạng xê dịch quanh hố thế. Đồ thị tương ứng phía dưới diễn đạt quy trình giao động trên mặt phẳng \ ( v ( x ) \ ), hay còn gọi là quỹ đạo pha. Hố thế làm ra giao động của con lắc lò xo có dạng một parabol. Cho nên khi không có ma sát, quỹ đạo pha sẽ có dạng elip, tương ứng cho xê dịch điều hòa hình sin. Khi có ma sát, nguồn năng lượng toàn phần bị tiêu tốn theo thời hạn, ly độ và tốc độ tiến dần về 0, vật tiến dần về vị trí cân đối ở đáy hố .
Quỹ đạo pha trong dao động tắt dần ma sát nhớtKhi muốn lưu lại hiệu quả, ta hoàn toàn có thể chọn “ Lưu – Đồ thị … ”. Hình ảnh mặc định lưu dưới định dạng. png :
Phần mềm “Con lắc lò xo” có khả năng lưu giữ liệu hình ảnhChương trình tổng thể và toàn diện ở chính sách nền tối :
Giao diện “Con lắc lò xo” ở chế độ nền tối

Source: https://vh2.com.vn
Category : Tin Học