Теоретическое описание. Радиус кривизны R гладкой сферической поверхности можно определить, измерив период колебания Т шарика

Радиус кривизны R гладкой сферической поверхности можно определить, измерив период колебания Т шарика, катающегося по этой поверхности.

Если пренебречь потерями энергии, затрачиваемой на преодоление диссипативной силы трения, то для катающегося без проскальзывания шарика должен выполняться закон сохранения механической энергии. Центр масс C шарика движется поступательно, но, кроме того, шарик вращается относительно оси z, проходящей через точку C перпендикулярно плоскости (рис.1). Поэтому полная механическая энергия шарика

(1)

Рис.1

Здесь m – масса шарика; - его момент инерции относительно оси z; r – радиус шарика.

Модуль угловой скорости w шарика вокруг оси z связан с модулем скорости V_c поступательного движения центра масс соотношением

. (2)

Подставляя (2) и выражение для J_c в (1), получаем

. (3)

Но при качении шарика по сферической поверхности его центр масс отклоняется относительно центра O поверхности на угол j. Из рис.1 видно, что угол j связан с углом поворота q шарика относительно оси z соотношением

(4)

где . Кроме того, из прямоугольного треугольника ОВС следует, что

. (5)

Подставляя (4) и (5) в формулу (3), выражаем полную механическую энергию шарика через угол j:

. (6)

В верхней точке траектории скорость шарика равна нулю и вся механическая энергия шарика переходит в потенциальную. При прохождении шариком положения равновесия (h =0) скорость и кинетическая энергия шарика максимальны.

Рассмотрим кинематику движения шарика. Скорость его центра масс С всегда направлена по касательной к траектории (рис.2). Полное ускорение центра масс равно сумме тангенциального и нормального ускорений. Ускорение направлено также по касательной к траектории. Его модуль связан с модулем углового ускорения вращения шарика вокруг оси z формулой

. (7)

Ускорение направлено к центру кривизны. Его модуль

. (8)

Эти модули изменяются при колебательных движениях шарика периодически. В верхней точке траектории при наибольшем отклонении шарика от положения равновесия V_c шарика и a_n равны нулю, а a_r достигает максимума. При прохождении положения равновесия, наоборот, , а V_c и a_n максимальны.

Найдем период колебаний шарика. Для этого необходимо получить динамическое уравнение колебаний (т.е. уравнение динамики для поступательного или вращательного движения колеблющегося шарика).Для любых незатухающих гармонических колебаний это уравнение имеет общий вид

. (9)

Физическое тело будет совершать гармонические колебания в том случае, если на него действует сила или момент силы, пропорциональные смещению от положения равновесия и стремящиеся вернуть тело в положение равновесия.

Воспользуемся законом сохранения механической энергии (6). Возьмем производную по времени от обеих частей этого уравнения, сократим полученное выражение на и приведем его к виду, аналогичному (9):

. (10)

Отсюда видно, что шарик будет совершать гармонические колебания относительно положения равновесия в том случае, когда . Т.е. условием гармонических колебаний в данной работе будут малые углы отклонения шарика от положения равновесия.

В этом случае угол j изменяется по гармоническому закону , где

. (11)

Используя выражения (4), (7) и (8), можно вычислить значения скорости и ускорения шарика в любой момент времени. Чтобы найти зависимость радиуса кривизны R сферической поверхности от периода T, которую находим из формулы (11), подставим в нее :

. (12)

При вычислении мы не учитывали, что механическая энергия шарика уменьшается за счет работы диссипативной силы трения и потому в действительности колебания шарика будут затухающими. Затуханием колебаний в работе пренебрегаем.