Махало

Движение на махало под въздействие на гравитацията

Цел: Създаване на връзки между диференциране и диференциални уравнения.

Постановка: Математическо махало. (Съпротивлението на въздуха се пренебрегва). Да се намери зависимостта на махалото спрямо времето, т.е. функцията на движение на махалато.

Анализ: Във всеки момент махалото се движи с различна скорост и ускорение, зависещи от ъгъла на отклонение на махалото.

Производни, разстояние, скорост и ускорение.

Движението на махалото се извършва по окръжност с радиус равен на дължината на нишката, на която е окачено махалото. От тук, следва че:

$s=\ell \theta$

За да изразим скоростта ползваме първата производна (изменението на разстоянието за единица време). Изменя се само ъгълът, а дължината на нишката е константа и се запазва:

$v={ds \over dt}={{d\ell \theta } \over dt}=\ell {d\theta \over dt}$

По да изразим ускорението, използваме втората производна

$a={d^{2}s \over dt^{2}}=\ell {d^{2}\theta \over dt^{2}}$ (1)

Сили действащи на махалото

Под внимание се взема само силата действаща по посока на движението. Допирателната по окръжността на движение (тангенциалната сила ( танго -> допир)). Перпендикулярната сила (нормалната ) се неутрализира.

От II закон на нютон $F=ma\,$

За махалото $F=gm\sin \theta =-ma\,=>a=-g\sin \theta \,$ (2)

Диференциално уравнение на махало

От (1) и (2) $=>-g\sin \theta =\ell {d^{2}\theta \over dt^{2}}<=>\ell {d^{2}\theta \over dt^{2}}+g\sin \theta =0$

Решаване на диференциалното уравнение

Има два подхода при решаване на диференциални уравнения, аналитичен и числен. При конкретното уравнение са възможни и двата подхода, но аналитичният метод може да се използва за $\theta <20^{\circ }$. В този случай диференциалното уравнение ще се преобразува в линейно от втори ред.

Аналитично решение

$\ell {d^{2}\theta \over dt^{2}}+g\sin \theta =0<=>\ell {d^{2}\theta \over dt^{2}}+g\theta =0,\theta <20^{\circ }$

Полагаме $\ {\theta }={y}$, от тук $\ell {y''}+{g}{y}=0$ - хомогенно диференциално уравнение от 2-ри ред

Уравнението е от вида $\ ay''+by'+cy=0$, затова лесно могат да се намерят решения във вида $\ y=c_{1}e^{r_{1}x}+c_{2}e^{r_{2}x}$, където за r се решава уравнението $\ ar^{2}+br+c=0$, a именно:

$\ell r^{2}+g=0$ $r=\pm {\sqrt {\frac {g}{l}}}$