מטוטלת קפיצה

ציור המראה כיצד ניתן לבנות מטוטלת קפיצה: מנוע מסובב מוט במהירות גבוהה, מה שמרטיט זרוע מנוף למעלה ולמטה, אליה מחוברת המטוטלת באמצעות ציר.

מטוטלת קפיצה היא מטוטלת קשיחה שבה נקודת הציר רוטטת בכיוון אנכי, למעלה ולמטה. היא נקרא על שמו של הפיזיקאי הרוסי חתן פרס נובל פיוטר קפיצה, אשר בשנת 1951 פיתח תיאוריה שמסבירה בהצלחה כמה מתכונותיה יוצאות הדופן. התכונה הייחודית של המטוטלת קפיצה היא שהמתלה הרוטט יכול לגרום לה להתאזן בצורה יציבה במצב הפוך מהמצב שהיינו מצפים במטוטלת הרגילה עם מתלה קבוע, מיקום שיווי המשקל היציב היחיד הוא מתחת לנקודת המינימום; המיקום ההפוך הוא נקודה של שיווי משקל לא יציב, וההפרעה הקטנה ביותר מזיזה את המטוטלת משיווי משקל.

במטוטלת קפיצה המצב מתהפך – מיקום שיווי המשקל הוא דווקא למעלה והנקודה הלא יציבה היא למטה, תופעה שאיננה אינטואיטיבית במבט ראשון.

סימונים ופיתוח פיזיקלי

איור מטוטלת קפיצה

הציר האנכי $y$ והציר האופקי $x$ כך שתנועת המטוטלת מתרחשת במישור ($x$ - $y$).

• $\nu$ – תדירות התנודות האנכיות של המתלה,
• $a$ – משרעת של תנודות המתלה,
• $\omega _{0}={\sqrt {g/l}}$ – תדירות נכונה של המטוטלת המתמטית,
• $g$ – האצת נפילה חופשית,
• $l$ – אורך של מטוטלת קשיחה וקלה,
• $m$ – מסה.

משוואות המיקום של המסה במישור התנועה:

${\begin{cases}x&=l\sin \varphi \\y&=-l\cos \varphi -a\cos \nu t\end{cases}}$

אנרגיה

האנרגיה הפוטנציאלית של המטוטלת נובעת מכוח הכבידה והיא מוגדרת על ידי, במונחים של המיקום האנכי:

$E_{\mathrm {POT} }=-mg(l\cos \varphi +a\cos \nu t).\,$

האנרגיה הקינטית $E_{\mathrm {KIN} }=ml^{2}{\dot {\varphi }}^{2}/2$, המתאר את המהירות של מטוטלת מתמטית, יש תרומה עקב רעידות

$E_{\mathrm {KIN} }={\frac {ml^{2}}{2}}{\dot {\varphi }}^{2}+mal\nu ~\sin(\nu t)\sin(\varphi )~{\dot {\varphi }}+{\frac {ma^{2}\nu ^{2}}{2}}\sin ^{2}(\nu t)\;.$

האנרגיה הכוללת ניתנת על ידי סכום האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות $E=E_{\mathrm {KIN} }+E_{\mathrm {POT} }$ והלגראנגים לפי ההבדל ביניהם $L=E_{\mathrm {KIN} }-E_{\mathrm {POT} }$.

במקרה של מתלה רועד המערכת כבר אינה סגורה והאנרגיה הכוללת אינה נשמרת עוד כפי שמתקיים במטוטלת מתמטית רגילה. האנרגיה הקינטית רגישה יותר לרעידות בהשוואה לזו הפוטנציאלית. האנרגיה הפוטנציאלית $E_{\mathrm {POT} }=mgy$ קשור מלמטה ולמעלה $-mg(l+a)<E_{\mathrm {POT} }<mg(l+a)$ בעוד האנרגיה הקינטית קשורה רק מלמטה $E_{\mathrm {KIN} }\geq 0$. לתדירות גבוהה של רעידות $\nu$ האנרגיה הקינטית יכולה להיות גדולה בהשוואה לאנרגיה הפוטנציאלית.

משוואות התנועה

נקבל את תנועת המטוטלת בעזרת משוואת אוילר-לגראנז'.

התלות של $\varphi$ המטוטלת על מיקומה מקיים את המשוואה:

${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\varphi }}}}={\frac {\partial L}{\partial \varphi }},$

כשהלגראנג'יאן מסומן בתור $L$:

$L={\frac {ml^{2}}{2}}{\dot {\varphi }}^{2}+ml(g+a~\nu ^{2}\cos \nu t)\cos \varphi ,$

ממשוואות אוילר לגראנג' אפשר לקבל את משוואת התנועה הבאה לזווית:

${\ddot {\varphi }}=-(g+a~\nu ^{2}\cos \nu t){\frac {\sin \varphi }{l}},$

שימושים באפקט

בעבר ברוסיה פיתחו טיל חדש מסוג 9K בדגם ישן. הטיל רעד במהלך המראתו, בדומה למטוטלת קפיצה, מה שגרם לנקודת שיווי המשקל של מד הדלק להיות בדיוק בכיוון המנוגד לכיוון הכבידה. צג הדלק הציג כי הדלק בטיל נגמר עוד לפני שהטיל המריא. התופעה הפתיעה מאוד את מדעני הטיל ואינם הביאו הכיצד ייתכן מהסיבה שתא הדלק כמובן מלא לחלוטין.

קישורים חיצוניים

• סרטון הדגמה במטוטלת קפיצה, באתר יוטיוב
• הדגמה אינטראקטיבית, באתר Wolfram Demonstrations Project

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

37706959מטוטלת קפיצה