擺線的等時性

擺線的等時性

將擺線的一拱倒轉,即對其底線作鏡射,則此段擺線的最高點 為π√(a/g),其中a為此段擺線對應的動圓半徑。 π√(4a/g)倒轉後的擺線的參數方程為

擺線的等時性

將擺線的一拱倒轉,即對其底線作鏡射,則此段擺線的最高點 C 變成最低點,若一質點從此段擺線任意點出發,在重力作用下沿擺線向下滑,則此質點到達最低點C所需的時間與出發點的位置無關。即:從任意兩相異點出發,它們到達C點的時間相同。為π√(a/g),其中a為此段擺線對應的動圓半徑。

套用

惠更斯在1657年利用單擺的等時性原理發明了擺鐘以後,逐漸發現單擺的等時性是有限制的——即在擺角小於5°的時候,擺角的正弦值可近似的看做擺角的值,即Sin θ ≈ θ,從而有周期T=2π√(L/g)。
在不斷的研究後,發現擺線的等時性不受擺角的影響,從而在1673年利用擺線的等時性製作出了具有真正等時性的擺鐘。
不論振幅為多少,其周期是個定值,此定值等於 π√(4a/g)

證明

倒轉後的擺線的參數方程為 x=aθ-asinθ, y=-a+a*cosθ , 質點下滑的出發點 P 所對應的參數為 θ′(0<θ′<π)。當質點下滑到參數為 θ 的點時,根據能量守恆定律,質點喪失的勢能轉變成動能,所以質點在該處的的瞬時速度為 v(θ)=√(2ag(cosθ′-coaθ))。
另一方面,弧長 s 的微分為 ds=√((dx)&sup2;+(dy)&sup2;)=2a*sin(θ/2)dθ
於是,質點滑落到最低點 C所需的時間為 ∫&#91;θ′,π&#93;(2a*sin(θ/2)dθ )/√(2ag(cosθ′-coaθ))
此值等於 π√(a/g),與θ′無關。

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