תנודות

תנודה היא שינוי במערכת הנמשך לאורך זמן. תנודות יכולות להיות מחזוריות בקירוב או כאוטיות. תנודות מתרחשות במערכות שונות כגון מטוטלת, גלים, מעגלי RLC ועוד. בניסוי זה נבחן תכונות מטוטלת הנשלטת על ידי כח מאלץ וריסון, ונכיר את תופעת התהודה ותהליכי מעבר.

רקע תיאורטי

תנודות הרמונית חופשיות

נתבונן בתנועת גוף של מסה m שעליו מופעל כוח אלסטי מחזיר (פרופורציוני להעתק x של הגוף מנקודת שיווי משקלו), נקבל לפי החוק השני של ניוטון:

$\ m \ddot{x} + k x = 0.$

זוהי משוואה דיפרנציאלית שפתרונה הוא:

$x(t) = A \cos (2 \pi f_0 t). \!$

כאשר $f_0$ הוא תדר התנועה במצב ההרמוני הפשוט.

תנודות מרוסנות

אם נוסף לכח המחזיר יפעל על הגוף כוח חיכוך הפרופורציוני למהירות, $\lambda v$ .

לפי החוק השני של ניוטון מתקיים:

$m \ddot{x} + { \lambda } \dot{x} + {k } x = 0.$

פתרון המשוואה מתאר תנודות מרוסנות של הגוף, הינו:

$x(t) = A\exp (-\delta t)\cos ( \Omega t-\phi))$

כאשר $\Omega$ הוא תדר התנודות העצמיות של המערכת השווה ל-$\Omega ^2 = \omega_0 ^2- \delta^2$, $\omega_0^2 = {k \over m}$, ו- $\delta={\lambda \over 2m}$ הנקרא גורם הריסון.

האמפליטודה A והפאזה $\phi$ תלויים בתנאי התחלה של המערכת. משרעת התנודות הולכת וקטנה עם הזמן בהתאם לחוק $\exp (-\delta t)$ ניתן לראות כי תדר התנודות העצמיות תלוי בכוח המרסן (ככל שהכוח המרסן יגדל, תדר התנודות העצמיות יקטן). עבור מטוטלת מתמטית $\omega_0^2= {g \over l}$ ולכן $\Omega ^2 = {g \over l} - \delta ^2$, במשרעות קטנות מחזור התנודות העצמיות של המטוטלת, $T_0$, אינו תלוי במשרעת. עובדה זו גילה גלילאו הצעיר (1583) כאשר צפה בתנודות של נברשת תחת משבי רוח. מכוון שלא היו אז שעוני עצר הוא השווה את תדירות תנודות הנברשת עם תדירות הדופק שלו. בזוויות גדולות, זמן המחזור של המטוטלת גדל כאשר אמפליטודת התנודות גדלה. ניתן למצוא את זמן המחזור של מטוטלת, הפתרון לא אנליטי, אך ניתן להביעו באמצעות $\ F(k,\phi)$ האינטגרל האליפטי של לז'נדר מהסוג הראשון (Complete elliptic integral of the second kind) כך:

$T=4\sqrt{\frac{l}{g}}F(\sin\frac{\theta_0}{2},\frac{\pi}{2})$.

תלות זו ניתן להציג כסדרה: ${T \over T_0}={1 \over 4}\sin^2({ {\theta _m \over 2}})+{9 \over 64} \sin^4({ \theta _m \over 2})...$

כאשר $\theta _m$ היא משרעת התנודה במעלות.

תנודות מאולצות

עתה נתבונן בתנועתו של אותו גוף תחת השפעה של כוח חיצוני מחזורי $F_0 \cos \omega t$. משוואת התנועה תהיה:

$m \ddot{x} + { \lambda } \dot{x} + {k } x = F_0 \cos \omega t$

פתרון כללי של משוואה כזאת הוא סכום הפתרון הכללי של המשוואה ההומוגנית המתאימה (כאשר צד ימין של המשוואה שווה לאפס) והפתרון הפרטי של המשוואה הלא הומוגנית הנתונה. את הפתרון של המשוואה ההומוגנית קיבלנו קודם – והוא מתאר תנודות עצמיות דועכות.

בפתרון של המשוואה הלא הומוגנית נצא מתוך הנחה שהתנודות מתקיימות בתדירות השווה לזאת של הכוח החיצוני. את הפתרון הפרטי של המשוואה הלא הומוגנית מנחשים בצורה של $x=B \sin (\omega t - \psi)$. כדי למצוא את הערכים של $B$ ו- $\psi$ נציב את הביטוי הזה במשוואת התנועה ונקבל: $B={F_0 \over {\sqrt {m^2( \omega ^2 - \omega_0 ^2)^2+ \lambda^2 \omega^2}}}$

מכאן שהפתרון הכללי של המשוואה יהיה: $x(t)=A \exp (- \delta t) \cos (\Omega t - \phi)+B\sin(\omega t-\psi)$

ניתן לראות כי משרעת התנודות המרבית $B$ תתקבל כאשר תדירות הכוח החיצוני קרובה לתדירות העצמית של המערכת. תופעה זו נקראת תהודה (resonance) והינה תופעה חשובה ביותר בפיסיקה ובטכנולוגיה. גודל משרעת התנודות במצב תהודה פרופורציוני הפוך לגורם הריסון - $\lambda$.

תהליכי מעבר

בהשפעת כוח חיצוני מחזורי נוצרות בהתחלה גם תנודות חופשיות של המטוטלת, לכן התנודות המתקבלות הן סופרפוזיציה של התנודות החופשיות והמאולצות. אם תדירות הכוח החיצוני שווה לתדירות העצמית אז משרעת התנודות עולה בהתמדה עד שתגיע לגודל קבוע. במידה ותדירויות אלו שונות, סופרפוזיציה של התנודות החופשיות והמאולצות תביא לפעימות שמשרעתן תרד בהדרגה עד לאפס, כך שלבסוף משרעת התנודות נשארת קבועה. תדירות הפעימות היא ההפרש שבין תדירות הכח המאלץ, לבין תדירות התנודות העצמיות: $\omega_{beats} = |\Omega-\omega|$ .

זמן המעבר מוגדר להיות פרק הזמן בו חלים השינויים בגודל משרעת התנודות, אם נגביר את גורם הדעיכה, זמן המעבר יקטן.

מערכת הניסוי

בניסוי זה נבחן תנודות של מטוטלת. באיור 1 ניתן לראות את מערכת הניסוי, הכוללת מטוטלת, חיישן סיבוב, סליל בעל ליבה מגנטית ומגנט קבוע. את תנודות המטוטלת מודדים באמצעות חיישן תנועה סיבובית (Rotary motion sensor). יש להפעיל את החיישן במצב של רגישות מקסימלית, 1440 שמשמעותו דיוק של ($0.25^o$).

לעירור תנודות המטוטלת נשתמש באינטראקציה של מגנט קבוע עם שדה מגנטי משתנה. בקצה העליון של המטוטלת מחובר מגנט קבוע הנמצא במרכזו של סליל שטוח, דרכו עובר זרם סינוס מ- Signal generator של הממשק. לכן נוצר שדה מגנטי המשתנה בכיוון האנכי לסירוגין. המגנט, המחובר למוט המטוטלת, שואף להיות מכוון לאורך השדה המגנטי של הסליל, ותנועתו גורמת לתנודות המאולצות של המטוטלת. תדירות שינוי כיוון השדה ניתנת לשינוי על ידי שינוי תדירות הזרם בסליל. מבנה המטוטלת מאפשר גם שליטה בחוזק דעיכת התנודות. את ריסון המטוטלת יוצרים באמצעות מגנט קבוע (ריסון מגנטי).

כיוון שמדובר על אגירת נתונים רבה יש לקבוע את תדירות הדגימה (sample rate) ל- 25Hz.

איור 1 - מערכת הניסוי

מהלך הניסוי

מדידת תלות התדירות במשרעת

כדי להתחיל את תנועת המטוטלת יש להחזיק אותה בזווית גדולה (ללא כוח מרסן וללא כוח מאלץ) ולשחרר. כדי למצוא את מאפייני התנודות כמו משרעת ותדר, נמדוד באמצעות המחשב את תנודות המטוטלת במשך 10 שניות. נעצור את המדידה למשך 10 שניות ולאחר מכן נמדוד שוב את תנודות המטוטלת למשך כ- 20 שניות וחוזר חלילה – כך שיאגרו כ-20 מדידות במשך דעיכת התנודות של המטוטלת (אם יש צורך ניתן לבצע גם הפסקות ארוכות יותר בין המדידות). כדי לקבל את תדר התנועה והמשרעת יש להתאים את המדידות ל-sin, באמצעות Data-studio. ההתאמה תהיה למשוואה: $y=A \sin({{2\pi(t-C)} \over B})+D$

כאשר $A$ – אמפליטודה, $B$ – זמן מחזור, $C$ – פאזה מחולקת בתדירות, $D$ – הסטה.

כאמור, בזויות גדולות, זמן המחזור של המטוטלת T קטן כאשר אמפליטודת התנודות קטנה.

בנו גרף של זמן המחזור של התנודות כפונקציה של האמפליטודה.

• מתוך הגרף מצאו מהי הסטייה המקסימאלית של זמן המחזור שמדדתם, מערך זמן המחזור בזויות קטנות?

• מצאו מהו התדר העצמי $f_0$ של המערכת עבור זוויות קטנות.

אמפליטודת התנודות בשווי משקל

נמצא את התלות של אמפליטודת התנודות בשווי משקל בתדירות הכוח המאלץ. את המדידות בצעו בטווח של $f_0-0.1Hz$ עד $f_0+0.1Hz$ (בקפיצות של 0.01Hz).יש להשתמש בריסון גבוה ולחכות עד דעיכת התנודות העצמיות. את האמפליטודה נמצא ע"י התאמה לsin בדומה לחלק 1.

הציגו גרף של המשרעת בש"מ כפונקציה של תדירות הכח המאלץ, הסבירו את משמעות התוצאה המתקבלת.

תהליכי מעבר

בחלק זה נעקוב אחר תהליכי המעבר המתרחשים תחת כח מאלץ. התחילו את המדידות כאשר המערכת במנוחה. לאחר מכן הפעילו את מחולל האותות המזרים זרם בסליל. תחילה קבעו לכח המאלץ תדר השווה לתדר העצמי של המערכת. ולאחר מכן, הפעילו תדר הנמוך ב-0.05Hz מהתדר העצמי.

בנו גרפים המתארים את סטיית המטוטלת כפונקציה של הזמן, ודונו במאפיינים של התוצאות.

בצעו חלק זה עם חיכוך מגנטי ובהעדרו.