Den frie og dæmpede oscillator

Relaterede dokumenter
Oscillator. Af: Alexander Rosenkilde Alexander Bork Christian Jensen

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Harmonisk oscillator. Dan Elmkvist Albrechtsen, Edin Ikanović, Joachim Mortensen Hold 4, gruppe n + 1, n {3}, uge 46-47

Dæmpet harmonisk oscillator

Resonans 'modes' på en streng

Nb: der kan komme mindre justeringer af denne plan.

Arbejdet på kuglens massemidtpunkt, langs x-aksen, er lig med den resulterende kraft gange strækningen:

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

Studieretningsopgave

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Cowtrap - indfangning af ladede partikler i en elektrodynamisk fælde

Theory Danish (Denmark)

Transienter og RC-kredsløb

VEKSELSPÆNDINGENS VÆRDIER. Frekvens Middelværdi & peak værdi (max) Effektiv værdi (RMS) Mere om effektiv værdi!

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Elektron- og lysdiffraktion

Rapport uge 48: Skråplan

Elektrodynamik Lab 1 Rapport

Målinger på Bølgevippen, WGPC-III

Øvelse 1.5: Spændingsdeler med belastning Udført af: Kari Bjerke Sørensen, Hjalte Sylvest Jacobsen og Toke Lynæs Larsen.

Måling af turbulent strømning

Løsning til aflevering - uge 12

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

1. Vibrationer og bølger

Lektion 12. højere ordens lineære differentiallininger. homogene. inhomogene. eksempler

HØJERE FORBEREDELSESEKSAMEN DECEMBER 2008 MATEMATIK B-NIVEAU. Fredag den 12. december Kl HFE083-MAB

PETERTROELSENTEKNISKGYMNASI UMHADERSLEVHTXPETERTROELSE NTEKNISKGYMNASIUMHADERSLEV HTXPETERTROELSENTEKNISKGYMN ASIUMHADERSLEVHTXPETERTROEL

Løsninger til øvelser i kapitel 1

FY01 Obligatorisk laboratorieøvelse. Matematisk Pendul. Jacob Christiansen Afleveringsdato: 10. april 2003 Morten Olesen Andreas Lyder

GUX. Matematik. A-Niveau. Fredag den 31. maj Kl Prøveform b GUX191 - MAA

GUX. Matematik Niveau B. Prøveform b

Den harmoniske svingning

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

Start pä matematik. for gymnasiet og hf (2012) Karsten Juul

Pendulbevægelse. Måling af svingningstid: Jacob Nielsen 1

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1

Gruppemedlemmer gruppe 232: Forsøg udført d. 6/ Joule s lov

En sumformel eller to - om interferens

Hårde nanokrystallinske materialer

Note om Laplace-transformationen

STUDENTEREKSAMEN DECEMBER 2007 MATEMATIK B-NIVEAU. Tirsdag den 18. december Kl STX073-MAB

Fysik 2, Foreslåede løsninger til prøveeksamenssæt, januar 2007

b. Sammenhængen passer med forskriften for en potensfunktion når a = 1 og b= k.

Kaotisk kuglebevægelse En dynamisk analyse

Matematik A. Højere teknisk eksamen

Øvelsesvejledning FH Stående bølge. Individuel rapport

En harmonisk bølge tilbagekastes i modfase fra en fast afslutning.

Svingninger & analogier

RKS Yanis E. Bouras 21. december 2010

GUX. Matematik. A-Niveau. Fredag den 31. maj Kl Prøveform a GUX191 - MAA

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

MATEMATIK A-NIVEAU Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012 Differentialligninger

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 6

Numeriske metoder 2011: Adams-Bashforth-Moulton Predictor-Corrector method

Kapitel 3: Modeller i Derive

MatematikB 2011 Supplerende stof Trigonometri og trekanter

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

Øvelse 1 (mennesker) fælles

Projektopgave Observationer af stjerneskælv

Logaritmiske Transformationer

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Kulstofnanorør - småt gør stærk Side i hæftet

DIFFERENTIALREGNING Hvorfor er himlen blå?

Bevægelse op ad skråplan med ultralydssonde.

Svingninger og bølger

Residualer i grundforløbet

Besvarelse af stx_081_matb 1. Opgave 2. Opgave 1 2. Ib Michelsen, 2z Side B_081. Reducer + + = + + = Værdien af

Funktionsfamilier. Frank Villa. 19. august 2012

Lineære sammenhænge, residualplot og regression

Matematisk modellering og numeriske metoder

Højere Teknisk Eksamen maj Matematik A. Forberedelsesmateriale til 5 timers skriftlig prøve NY ORDNING. Undervisningsministeriet

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2009

Funktioner. 3. del Karsten Juul

Impuls og kinetisk energi

Opgave 6. Opgave 7. Opgave 8. Peter Harremoës Mat A delprøve med hjælpemidler 15 december 2015

Den Naturvidenskabelige Bacheloreksamen Københavns Universitet. Fysik september 2006

Vejledende løsning. Ib Michelsen. hfmac123

Peter Harremoës Mat A delprøve med hjælpemidler 15 december 2015

MM501 forelæsningsslides

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Matematik C. Højere forberedelseseksamen. Skriftlig prøve (3 timer) Fredag den 11. december 2009 kl HF093-MAC

Øvelsesvejledning RG Stående bølge. Individuel rapport. At undersøge bølgens hastighed ved forskellige resonanser.

Kapitel 3 Lineære sammenhænge

2. ordens differentialligninger. Svingninger.

MATEMATIK B-NIVEAU STX081-MAB

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

MM501 forelæsningsslides

Arbejdsopgaver i emnet bølger

Løsning MatB - januar 2013

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

FYSIK RAPPORT. Fysiske Kræfter. Tim, Emil, Lasse & Kim

Danmarks Tekniske Universitet

Grafmanipulation. Frank Nasser. 14. april 2011

Harmoniske Svingninger

Opstilling af model ved hjælp af differentialkvotient

Transkript:

Ida Nissen - 80385 Maria Wulff - 140384 Jacob Bjerregaard - 7098 Morten Badensø - 40584 Fysik Lab.øvelser Uge Den frie og dæmpede oscillator Formål Formålet med denne øvelse er at studere den harmoniske oscillator, der i disse forsøg illustreres ved hjælp af en fjeder og et lod. Fjederen er ophængt i en anden, noget stivere fjeder, der ikke deltager meget i bevægelsen, men nok til at man ved hjælp af en straingauge kan måle loddets bevægelse. Teori Fri harmoniske oscillator Bevægelsesligningen for den frie harmoniske oscillator er: m ẍ= kx som har den generelle løsning x=x 0 cos 0 t hvor vinkelfrekvensen er 0= k m og svingningstiden for en hel periode er T 0 = 0 Fri harmonisk oscillator med hastighedsproportional dæmpning Bevægelsesligningen er for en dæmpet harmonisk oscillator, hvor dæmpningen sker ved en hastighedsproportional gnidning. m ẍ= kx b ẋ ved ikke alt for stor friktion er den generelle løsning hvor frekvensen er t x=x 0 e cos d t 0 d = 1 0 hvor friktionskonstanten er = b m

Teoretisk beregning Bestemmelse ω 0 og T 0 for den frie oscillation. Bestemmelse af den samlede fjederkonstant, k, for de fjedere. m lod g= k x Delta x er lig med ændringen af fjederens længde, før og efter vi hang et lod på. Ændringen i længden målte vi til 10,4cm = 0,104m. Loddets masse målte vi til 47g = 0,047kg. Udfra disse værdier finder vi den samlede fjederkonstant. k= m lod g x Bestemmelse af vinkelfrekvensen: k= 0,047kg g 0,104 m = 4,44 N m 0= k = 4,44 N m =9,7 s 1 m 0,047kg Udfra vinkelfrekvensen kan vi beregne perioden. T 0 = 0 = =0,65 s 1 9,7 s

Vi har lavet 4 forskellige måleserier ved hver af de 3 forskellige forsøgsopstilling. Her er vi kun gået ud fra en, fordi da vi plottede de andre måleserier så vi, at de var meget ens. Derfor valgte vi at tage en måleserie i stedet for at lave et gennemsnit, som ikke afviger betydeligt af den valgte. Bestemmelse af den praktiske dæmpning og frekvens for den frie oscillation. Parameter: a = 0 b = d c = vinklen er en fase, som afhænger af, hvornår man starter oscillatoren d = er en forskydning e = Som det ses af plottet for den frie oscillation ovenfor, så er oscillationen naturligt dæmpet. Derfor benytter vi funktionen for den hastighedsproportionale dæmpning: Vi har benyttet følgende funktioner i gnuplot: g(x) = a*exp(-e*(x-14,5))+d f(x) = a*exp(-e*(x-14,5))*cos(b*(x-14,5)-c)+d h(x) = -e*(x-14,5)+a+d g1(x) = -a*exp(-e*(x-14,5))+d plot [0:3500] 'test_udaempet_01', f(x), g(x), g1(x), h(x)

fit [0:3500] f(x) 'test_udaempet_01' via a, b, c, d, e Usikkerhed på plottet: degrees of freedom (ndf) : 996 rms of residuals (stdfit) = sqrt(wssr/ndf) : 0.0780133 variance of residuals (reduced chisquare) = WSSR/ndf : 0.00608607 Det giver os værdierne for a, b, c, d, og e: Final set of parameters Asymptotic Standard Error ================ =================== a = 1.7557 +/- 0.00533 (0.303%) b = 0.479587 +/- 3.133e-06 (0.0006533%) c = 0.1847 +/- 0.00317 (1.45%) d = -0.0431919 +/- 0.00143 (3.95%) e = 0.00048093 +/- 3.035e-06 (0.7091%) 14,5 er en forskydelse af funktionens begyndelsespunkt. d er ligeledes en forskydning. Dæmpningen for oscillationen kan findes ved at se på funktionen g(x), som er brugt til at plotte vores oscillation, da denne er et udtryk for en hastighedsdæmpningen. Vi ser på udtrykket for dæmpningen e t, hvor vi i vores funktion g(x), kan se at konstanten e er lig med det teoretiske, x-værdien i g(x) er et udtryk for antallet af prikker, der er afsat, den omregner vi så til tiden i sekunder (der er 50ms imellem hver prik), t =x 0,05 s dvs. vores oscillation klinger af med følgende udtryk: e t e e t =e 0,00048093 t =e 0,00048093 x 0,05 s Sammenlingning med teori: Vores forsøgsresultater passer ikke med den teoretiske, da vi ser en bremsende gnidning i systemet, som dermed ikke er et idealt system. Fjederens egen gnidning får grafen til at aftage eksponentielt, i stedet for at være konstant, som teorien siger. Papirdæmpet oscillation. I dette forsøg er opstillingen den samme som før, men vi sætter en papirskive på med Diameter = 16cm Masse = 6g Det vil give en hastighedsproportional dæmpning, som har funktionen beskrevet i vores teoriafsnit.

Denne eksponentialfunktion falder mere drastisk til nulpunktet end forrige oscillation. f(x)= a*exp(-e*(x-14.5))*cos(b*(x-14.5)-c)+d g(x)=a*exp(-e*(x-14.5))+d Vores nulpunkt ligger omkring 0,5 i stedet for 0,0 i vores strain-gauge. Usikkerheden ved plottet: degrees of freedom (ndf) : 446 rms of residuals (stdfit) = sqrt(wssr/ndf) : 0.0701017 variance of residuals (reduced chisquare) = WSSR/ndf : 0.0049144 Final set of parameters Asymptotic Standard Error ======================= ========================== a = 3.9088 +/- 0.08713 (.9%) b = 0.44438 +/- 9.899e-05 (0.08%) c = -6.77175 +/- 0.0176 (0.314%) d = 0.55557 +/- 0.00330 (0.5944%) e = 0.00661359 +/- 0.0001007 (1.53%)

Friktionsdæmping (væg-dæmpning) Den falder stort set lineær hele vejen indtil nulpunktet, hvor vi kunne se på opstillingen at den stod helt stille. k(x)=-(x/15)+3.15 f(x)= a*exp(-e*(x-14.5))*cos(b*(x-14.5)-c)+d g(x)=a*exp(-e*(x-14.5))+d Vi har plottet en eksponential og en lineær funktion. Det er tydeligt på grafen, at den lineære funktion fitter bedst. Usikkerhed: degrees of freedom (ndf) : 366 rms of residuals (stdfit) = sqrt(wssr/ndf) : 0.13443 variance of residuals (reduced chisquare) = WSSR/ndf : 0.0180719 Final set of parameters Asymptotic Standard Error ======================= ========================== a = 3.5650 +/- 0.03718 (1.043%) b = 0.477717 +/- 8.437e-05 (0.01766%) c = -6.55768 +/- 0.010 (0.1556%) d = 0.080648 +/- 0.00698 (8.657%) e = 0.0057895 +/- 8.559e-05 (1.478%)

Sammenlingning af dæmpningsforløbet Vi kalder 1 : den frie oscillator : oscillator med hastighedsproportional dæmpning 3 : oscillator med konstant dæmpning I 1 forløber dæmpningen eksponentialt aftagende ligesom, men aftager hurtigere end 1. Det forklares af at 1 bliver bremset af fjederens egen gnidning, medens bliver påvirket både af den samme gnidning af fjederen plus vindmodstanden. I 3 er dæmpningen konstant, og det passer meget godt med at vi jo har en konstant gnidning! Kommentarer til usikkerheden: Især ved de tvungne dæmpede oscillationer er der større usikkerhed, fordi den hastighedsdæmpningede hurtigere kan blive påvirket af træk, som kan forstyrre svingningen. Ved den konstant dæmpede oscillator er det svært at få en KONSTANT friktion, da loddet kan svinge lidt væk fra væggen eller presses hårdere mod den. Derfor er vores fit stadigvæk lineær, men den passer ikke helt så godt som eksponentialfunktionen i første forsøg (frie oscillator).