บทที่ 8 · การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
Problem 8.53 Challenge
หัวข้อ: การสั่นภายใต้ความหน่วง (Damped Oscillations)
ดูวิธีทำ
จาก \(x = A(t)cos(ωt + φ)\)
\(_{-\gamma t}\)
\(x=Ae\cos (\omega t+φ)\)
\(_{-\gamma t-\gamma t}\)
\(\frac{dx}{dt}=-\omega Ae\sin (\omega t+φ)-\gamma Ae\cos (\omega t+φ)\)
กำหนดให้ \(θ = ωt + φ\)
\(_{-\gamma t-\gamma t}\)
จะได้ \(\frac{dx}{dt}=-\omega Ae\sin \theta -\gamma Ae\cos \theta\)
\(_{-\gamma t-\gamma t}\)
\(v=-\omega Ae\sin \theta \frac{\cos \theta}{\cos \theta}-\gamma Ae\cos \theta ;v=\frac{dx}{dt}\)
\(_{-\gamma t}\)
\(v=-(\omega \tan \theta +\gamma )Ae\cos \theta ; \tan \theta =\frac{\sin \theta}{\cos \theta}\)
\(_{-\gamma t}\)
\(v = -(\omega \tan \theta + \gamma )x;x=Ae\cos \theta\)
จาก \(E = K + U\)
\(E=\frac{1}{2}mv^{2}+\frac{1}{2}kx^{2}\)
\(E=\frac{1}{2}m(-(\omega \tan \theta +\gamma )x)^{2}+\frac{1}{2}kx^{2}\)
\(E=\frac{1}{2}m(\omega \tan \theta +\gamma )^{2}x^{2}+\frac{1}{2}kx^{2}\)
\(E=\frac{1}{2}x^{2}(m(\omega \tan \theta +\gamma )^{2}+k)\)
\(E=\frac{1}{2}kx^{2}(\frac{m}{k}(\omega \tan \theta + \gamma )^{2} + 1)\)
\(E=\frac{1}{2}kx^{2}(\frac{1}{\omega _{0}^{2}}(\omega \tan \theta + \gamma )^{2} + 1); \omega _{0} =\sqrt{\frac{k}{m}}\)
\(E=\frac{1}{2}kx^{2}(1+(\frac{\gamma + \omega \tan \theta}{\omega _{0}})^{2})\)
\(_{-\gamma t}\)
\(E=\frac{1}{2}k(Ae\cos \theta )^{2}(1+(\frac{\gamma + \omega \tan \theta}{\omega _{0}})^{2})\)
\(_{-2\gamma t}\)
\(E=\frac{1}{2}kA^{2}e(1 + (\frac{\gamma + \omega \tan \theta}{\omega _{0}})^{2})\cos ^{2}\theta\)
\(_{-2\gamma t}\)
\(E=\frac{1}{2}kA^{2}e(1 + (\frac{\gamma + \omega \tan (\omega t + φ)}{\omega _{0}})^{2})\cos ^{2}(\omega t + φ)\)
เพิ่มเติม : ในกรณีไม่มีความหน่วง \((γ = 0)\)
\(_{-2(0)t}\)
จะได้\(E=\frac{1}{2}kA^{2}e(1 + (\frac{(0) + \omega _{0}\tan (\omega t + φ)}{\omega _{0}})^{2})\cos ^{2}(\omega _{0}t + φ)\)
\(E=\frac{1}{2}kA^{2}(1+\tan ^{2}(\omega _{0}t+φ))\cos ^{2}(\omega _{0}t+φ)\)
\(E=\frac{1}{2}kA^{2}\sec ^{2}(\omega _{0}t+φ)\cos ^{2}(\omega _{0}t+φ)\)
\(E=\frac{1}{2}kA^{2}\) ซึ่งเป็นพลังงานในกรณีของ SHM นั่นเอง