Εκκρεμές που ταλαντώνεται σε ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο

Ταλάντωση είναι η κίνηση ενός συγκεκριμένου αντικειμένου (εκκρεμούς) σε κίνηση μπρος-πίσω μέσα σε δύο θέσεις ή καταστάσεις. Οι ενεργειακές αλλαγές προκαλούν το εκκρεμές να ταλαντεύεται μπρος-πίσω σε ένα κεντρικό ουδέτερο σημείο. Η ταλάντωση εμφανίζεται σε ταλαντωτές, που είναι μηχανικές ή ηλεκτρικές συσκευές.

Εκκρεμές

Η λέξη εκκρεμές προέρχεται από τη λατινική λέξη "pendulum", που σημαίνει κρέμασμα. Εκκρεμές είναι ένα σώμα που κρέμεται από ένα σταθερό σημείο. Μόλις αναγκαστεί να επιστρέψει και αφεθεί, επιστρέφει στην αρχική του θέση. Σχεδόν κάθε σημαντικό μουσείο περιλαμβάνει ένα εκκρεμές που είναι πάντα σε κίνηση. Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα εκκρεμούς που μπορείτε να δείτε γενικά στα μουσεία—διαφορετικοί τύποι δυνάμεων προσκρούουν στα εκκρεμή. Η αδράνεια, γνωστή ως η αντίθετη δύναμη μιας οντότητας, κάνει ένα εκκρεμές να ταλαντώνεται σε ευθεία ή κατακόρυφη κατεύθυνση. Η δύναμη της βαρύτητας, η οποία δρα προς τα κάτω και προκαλεί δύο αντικείμενα να σύρονται το ένα προς το άλλο, είναι αυτή που σύρει ένα εκκρεμές οριζόντια προς τα πίσω.

Εργασία σε εκκρεμές

Bob είναι η μάζα στο άκρο ενός απλού εκκρεμούς. έχει σταθερό βάρος. Μόλις μετακινηθεί από την αρχική του θέση σε μια αρχική γωνία και απελευθερωθεί, το εκκρεμές πηγαίνει πίσω και παραμένει ελεύθερα σε κίνηση. Όλα τα απλά εκκρεμή έχουν σταθερό χρόνο για μια πλήρη περιστροφή μιας αριστερής κίνησης και μιας δεξιάς κίνησης παρά τη γωνία εκκίνησης.

Τύποι και χρήσεις εκκρεμών

Οι διάφοροι τύποι εκκρεμών περιλαμβάνουν απλά εκκρεμή, διπλά εκκρεμή, δίκλινα εκκρεμή, εκκρεμή Foucault, εκκρεμή στρέψης, κ.λπ. Χρησιμοποιώντας δίκλινα εκκρεμή, οι επιστήμονες έχουν προσδιορίσει ανωμαλίες στην περιστροφή της γης. Αυτά τα εκκρεμή έχουν επίσης βοηθήσει στην αποκάλυψη σημαντικών δεδομένων για τους σεισμούς. Το εκκρεμές Foucault, που εφευρέθηκε από τον Γάλλο επιστήμονα Leon Foucault, χρησιμοποιείται κυρίως για την κατανόηση της περιστροφής της γης. Αν και δεν είναι αυστηρά εκκρεμές, το εκκρεμές στρέψης δεν ταλαντώνεται λόγω της δύναμης της γης. Χρησιμοποιείται συνήθως για λειτουργίες που σχετίζονται με τη μέτρηση του χρόνου, όπως η ρύθμιση της κίνησης των ρολογιών.

Ταλάντωση

Η ταλάντωση αναφέρεται στην επαναλαμβανόμενη κίνηση ενός αντικειμένου μεταξύ δύο θέσεων ή καταστάσεων. Μια ταλάντωση είναι μια περιοδική κίνηση που επαναλαμβάνεται κατά τη διάρκεια ενός κανονικού κύκλου, όπως ένα κύμα κυκλικής συνάρτησης. Το κύμα αναφέρεται στην κίνηση εντός της περιοχής αιώρησης ή στην κίνηση προς τα πάνω και προς τα κάτω του ελατηρίου με ένα βάρος. Μια ταλαντωτική κίνηση συμβαίνει γύρω από την ισορροπία, που αναφέρεται από κοινού ως περιοδική κίνηση. Μια μεμονωμένη ταλάντωση μπορεί να είναι μια πλήρης κίνηση, είτε πάνω-κάτω είτε από όψη σε όψη, με την πάροδο του χρόνου.

Μία ταλάντωση εκκρεμούς

Όταν ένα εκκρεμές αρχίζει να κινείται από τη θέση Α, φτάνει στη θέση Β και στη συνέχεια επιστρέφει στη θέση Α, ολοκληρώνει μια ταλάντωση. Ο χρόνος που απαιτείται για να ολοκληρώσει το εκκρεμές μια ταλάντωση ονομάζεται περίοδος. Αυτή η περίοδος ταλάντωσης παραμένει σταθερή.

Πώς λειτουργεί η ταλάντωση ενός εκκρεμούς ρολογιού;

Η ταλάντωση του εκκρεμούς σε ένα ρολόι συμβαίνει λόγω μεταβολών ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια του εκκρεμούς του ρολογιού υπάρχει παντού εκτός από το κεντρικό σημείο, το οποίο μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια μόλις το εκκρεμές πέσει και κινείται προς τα πάνω από την άλλη πλευρά. Όταν η κινητική ενέργεια της ταλάντευσης δαπανηθεί στην κορυφή, η δυναμική ενέργεια επιστρέφεται. Χωρίς κινητική ενέργεια για να το οδηγήσει ψηλότερα, το εκκρεμές πέφτει. Τα ρολόγια με εκκρεμές δείχνουν πάντα την ώρα με τη συχνότητα των ταλαντώσεων του εκκρεμούς. Η αιώρηση του εκκρεμούς οδηγεί σε τριβή ή τριβή. Τα μηχανικά ρολόγια εκκρεμούς χρησιμοποιούν ελατήρια για τη μείωση της τριβής κατά την αιώρηση. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι ταλαντωτές στα ηλεκτρονικά ρολόγια είναι ο χαλαζίας και το ηλεκτρόνιο. Τα ατομικά ρολόγια υπολογίζουν την ταλάντωση μέσα στα άτομα.

Ταλάντωση σε ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο

Ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα πεδίο στο οποίο η τιμή της έντασης του πεδίου παραμένει η ίδια σε όλα τα σημεία. Σε ένα εξαιρετικά ομοιόμορφο πεδίο, η τιμή της έντασης του πεδίου δεν αλλάζει, και επομένως, οι γραμμές πεδίου τείνουν να είναι παράλληλες και ίσες μεταξύ τους. Μπορεί να υπολογιστεί τοποθετώντας δύο αγώγιμες πλάκες παρόμοιες μεταξύ τους και διατηρώντας μια τάση (διαφορά δυναμικού) μεταξύ τους, αλλά είναι μόνο μια προσέγγιση. Ας υποθέσουμε άπειρα επίπεδα, τότε η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου είναι :

E=-V/d

Η τάση, γνωστή και ως διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού, μπορεί εύκολα να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο. Η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο πλακών είναι V=Ed, όπου Ed είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου πολλαπλασιαζόμενη με την απόσταση της πλάκας.

Ας υποθέσουμε ότι ένα θετικά φορτισμένο εκκρεμές είναι τοποθετημένο σε ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση, η βαρύτητα και η ηλεκτρική δύναμη της χορδής οφείλονται στο πεδίο που δρα στο εκκρεμές. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί μια δύναμη προς τα πάνω στο εκκρεμές. Η προκύπτουσα βαρυτική δύναμη g’ είναι ίση με g-qE/m. Αυτό σημαίνει ότι το g είναι μικρότερο από το g (βαρύτητα). Αν το g γίνει ίσο με g'  και η τιμή του g' είναι μικρότερη από την τιμή του g, τότε ο χρόνος του εκκρεμούς θα μειωθεί.

Συμπέρασμα

Αυτό το άρθρο εξετάζει το εκκρεμές, τους τύπους του και τον τρόπο λειτουργίας του. Εξηγεί επίσης την έννοια της ταλάντωσης και πώς λειτουργεί η ταλάντωση ενός εκκρεμούς. Ένα εκκρεμές ταλαντώνεται σε ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο όπου η περίοδός του αυξάνεται ή μειώνεται ανάλογα με το φορτίο του ηλεκτρικού πεδίου.