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SimpleHarmonicMotionPendulumMassonaspring(springoscillator)vmax0x-xEquilibriumpositionMaximumdisplacementMaximumdisplacementv=0v=0Oscillation“Harmonic”“Simple”Positionasafunctionoftimeisasinusoidalfunction“Simple”Harmonicmotion“Simple”:onlyonesine/cosinefunctionVerticalpositionx
asafunctionoftimetistheamplitudeistheperiodistheinitialphase
angledependsonthe“initialconditions”
isthefrequencyistheangularfrequencyOtherwaysofexpressing
x(t)
A
istheamplitude–maximumdisplacement
isthefrequencyistheangularfrequencySimpleHarmonicMotion
A
istheamplitude–maximumdisplacement
istheperiodistheinitialphase
angledependsonthe“initialconditions”
velocityandaccelerationrestoringforcemassonspringpendulumenergyofsimpleharmonicmotionfrequencyandperiodGeneralsolution:Whatisthepositionattimet=0?Initialconditions
If
Whatisthevelocity?
If
vx=A,v=0
Acceleration?
Ingeneral,av
Whyisamotion“simpleharmonic”
?
Newton’ssecondlaw
Thenetforceonanobjectisproportionaltoitsdisplacement,andopposetothedirectionofthedisplacement-Restoring
Forceor
F=-
kxRESTORINGFORCEF=-
kxequilibriumpositionNoforce!ForcetowardsequilibriumpositionproportionaltothedistancefromequilibriumF=-kxF=kxForcetowardsequilibriumpositionx-xHooke’slawTheextensionofaspringisproportionaltotheforceF=-
kxThemotionofthemasscanbeexpressedas
Simpleharmonicmotion
Equilibriumposition(withmassM)unstretchedspring(nomassattached)stretchedspring(withmassattached)thespringforceequalsthegravitationalforceEquilibrium:Averticalspringwithgravity11gravitationalpull1Netforceforcefromspring1susinganewequilibriumposition
sameasthehorizontalspring!PeriodofaspringharmonicoscillatorRestoringforce:Harmonicmotion:Newton’s2ndlaw:
ThePendulummggravitytensionθθmgcosθ-mgsinθTheforceisproportionaltothedistancefrom“equilibrium”freebodydiagramThetangential
forceonthemassis:Forcesonthependulumvisthe“angularvelocity”speed:accelerationintangentialdirection:-thedisplacement
Trythissolution:“Differentialequation”tangentialdirection:Simpleharmonicmotion!
TheperiodisindependentofthemassmTheperiodisindependentoftheamplitudeATheperioddependsonthelengthLTheperiodalsodependsongravity(g)Theperiodofthependulum:Theamplitude(angle)mustbesmallUsingapendulumtomeasuregBallbouncingbackandforth:NOTaSimpleHarmonicOscillatorForcenotprop.toxPeriodjustdependsonthespeedoftheballEnergyconversionintheharmonicoscillatorIdeally,totalmechanicalenergyisconstantpotentialenergykineticenergyKineticenergyofthemass
potentialenergyofthespring
totalenergy
Conserved!potentialenergykineticenergytime
totalenergyCalculatethespeedfromtheen
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