Період пружинного маятника
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Фізика — повний курс.
Обчислюй період і частоту пружинного маятника за формулою T = 2π√(m/k), визначай залежність від маси й жорсткості пружини, пояснюй незалежність від амплітуди та прискорення вільного падіння.
Пружинний маятник — це система, що складається з вантажу масою m, прикріпленого до пружини жорсткістю k. Якщо вивести вантаж із положення рівноваги (стиснути або розтягнути пружину на невелику відстань x), виникає сила пружності, яка прагне повернути вантаж назад:
де k — жорсткість пружини (у Н/м), x — зміщення від положення рівноваги. Знак «мінус» показує, що сила завжди напрямлена до положення рівноваги. За другим законом Ньютона ma = −kx, звідки прискорення a = −(k/m)·x. Оскільки прискорення пропорційне зміщенню й напрямлене протилежно до нього, рух є гармонічним коливанням.
Формула періоду
Період коливань пружинного маятника визначають за формулою:
Частота коливань — величина, обернена до періоду:
Циклічна (кутова) частота:
Усі три величини пов'язані: ω = 2πν = 2π/T.
Числовий приклад
Візьмемо вантаж масою m = 1 кг і пружину жорсткістю k = 100 Н/м. Тоді:
Це означає, що за 1 секунду вантаж виконує приблизно 1,6 повних коливань.
Одиниці вимірювання
У формулу T = 2π√(m/k) масу завжди підставляють у кілограмах, а жорсткість — у ньютонах на метр (Н/м). Якщо маса дана в грамах, її обов'язково переводять: 200 г = 0,2 кг. Якщо жорсткість дана в Н/см, її множать на 100: 2 Н/см = 200 Н/м.
Експериментальне визначення
Період і частоту можна знайти й без формули — за вимірюваннями. Якщо за час t вантаж виконав N повних коливань, то:
Наприклад, якщо за 10 с маятник зробив 20 коливань, то T = 10/20 = 0,5 с, а ν = 20/10 = 2 Гц.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Період пружинного маятника залежить від двох параметрів системи: маси вантажу та жорсткості пружини. Розгляньмо кожну залежність окремо.
Залежність від маси: T ∝ √m
Оскільки T = 2π√(m/k), період пропорційний квадратному кореню з маси. Це означає:
Якщо масу збільшити в 4 рази, період зросте в √4 = 2 рази (частота зменшиться вдвічі).
Якщо масу збільшити вдвічі, період зросте в √2 ≈ 1,41 раза.
Якщо масу зменшити в 9 разів, період зменшиться в √9 = 3 рази.
Приклад: до вантажу масою m підвісили ще один такий самий. Загальна маса стала 2m, тому період зріс у √2 разів, а частота зменшилась у √2 разів.
Залежність від жорсткості: T ∝ 1/√k
Період обернено пропорційний квадратному кореню з жорсткості пружини:
Якщо жорсткість збільшити в 4 рази, період зменшиться в √4 = 2 рази.
Якщо жорсткість зменшити вдвічі, період зросте в √2 ≈ 1,41 раза.
Важливий окремий випадок: пружину розрізають навпіл. Коротша пружина має вдвічі більшу жорсткість (k' = 2k), тому період коливань зменшиться в √2 разів. Це пояснюється тим, що жорсткість пружини обернено пропорційна її довжині.
Незалежність від амплітуди
За малих деформацій (коли виконується закон Гука) період пружинного маятника не залежить від амплітуди коливань. Інтуїтивно: якщо відхилити вантаж далі, сила пружності буде більшою, тому вантаж рухатиметься швидше й «надолужить» більший шлях за той самий час. У результаті тривалість одного повного коливання залишається незмінною.
Ця властивість називається ізохронністю коливань — вона справедлива для будь-якого гармонічного осцилятора, доки деформації залишаються пружними.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Пружинний маятник може коливатися як горизонтально (на гладенькій поверхні), так і вертикально (підвішений до пружини). Незважаючи на різне розташування, період коливань у цих випадках однаковий.
Чому період не залежить від g
Погляньмо на формулу T = 2π√(m/k). У ній немає прискорення вільного падіння g. Це означає, що період пружинного маятника не залежить від того, чи коливається вантаж на Землі, на Місяці чи в космічній станції. За тієї самої маси й жорсткості пружини період буде однаковим.
Зверни увагу: це докорінно відрізняє пружинний маятник від нитяного (математичного), період якого T = 2π√(l/g) залежить від g. На Місяці нитяний маятник коливався б повільніше, а пружинний — із тією самою частотою, що й на Землі.
Вертикальний маятник і положення рівноваги
Коли вантаж підвішують до пружини вертикально, пружина розтягується під дією сили тяжіння. Положення рівноваги зміщується вниз на величину:
Коливання відбуваються навколо цього нового положення рівноваги. Відлік зміщення x ведуть саме від нього, а не від нерозтягнутої пружини. Сила, що повертає вантаж до рівноваги, — це різниця між силою пружності й силою тяжіння, і вона дорівнює −kx, де x — зміщення від положення рівноваги.
Зв'язок із видовженням
Із рівняння рівноваги mg = k·Δl випливає, що m/k = Δl/g. Підставивши це в формулу періоду, отримаємо:
Це зручна форма: вимірявши видовження пружини в рівновазі, можна одразу знайти період, не знаючи окремо маси й жорсткості.
Приклад: видовження пружини в рівновазі становить 10 см = 0,1 м, g = 10 м/с². Тоді:
Невагомість
У невагомості (на орбіті) і вантаж, і пружина рухаються лише під дією сили тяжіння з однаковим прискоренням, тому пружина в рівновазі не розтягнута: Δl = 0. Однак вантаж на пружині все одно може коливатися, якщо його вивести з рівноваги. Формула T = 2π√(m/k) працює й тут. А от формулу T = 2π√(Δl/g) застосовувати не можна, бо вона виведена з припущення, що є вага.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розгляньмо типові завдання НМТ на тему періоду пружинного маятника.
Приклад 1. Обчислення періоду за формулою
Умова: вантаж масою 0,4 кг коливається на пружині жорсткістю 40 Н/м. Знайди період коливань у секундах, прийнявши π = 3,14.
Розв'язання:
Запишемо формулу періоду пружинного маятника:
Підставимо π = 3,14:
Відповідь: 0,63 с.
Типова помилка: не помітити, що маса вже в кілограмах, і намагатися переводити 0,4 кг у щось інше. Усе в СІ — обчислюй одразу.
Приклад 2. Як зміниться період зі зміною маси
Умова: як зміниться період коливань пружинного маятника, якщо масу вантажу збільшити в 9 разів?
Розв'язання:
Період пропорційний √m. Якщо маса зросла в 9 разів, то період зросте в √9 = 3 рази.
Відповідь: збільшиться в 3 рази.
Чому інші варіанти неправильні:
«Збільшиться в 9 разів» — плутають пряму пропорційність із кореневою.
«Зменшиться в 3 рази» — плутають залежність маси й жорсткості або плутають період із частотою.
«Не зміниться» — ігнорують залежність періоду від маси.
Приклад 3. Перенесення на іншу планету
Умова: пружинний маятник перенесли з Землі на Місяць. Як зміниться його період?
Розв'язання:
Формула T = 2π√(m/k) не містить g. Маса вантажу й жорсткість пружини не змінилися, тому період залишиться таким самим.
Відповідь: не зміниться.
Чому інші варіанти неправильні:
«Збільшиться» / «Зменшиться» — плутають пружинний маятник із нитяним, період якого залежить від g.
«Зросте вдвічі» — довільне число без обґрунтування.
Приклад 4. Період через кількість коливань
Умова: за 20 с вантаж на пружині виконав 50 коливань. Знайди частоту коливань у герцах.
Розв'язання:
Частота — це кількість коливань за одиницю часу:
Відповідь: 2,5 Гц.
Типова помилка: обчислити T = t/N = 20/50 = 0,4 с і записати його замість частоти. Уважно читай, що питають: частоту, а не період.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час розв'язування задач на період пружинного маятника.
Вважати, що на Місяці період пружинного маятника зміниться. Це найчастіша пастка. У формулу T = 2π√(m/k) не входить g, тому період не залежить від планети. Не плутай із нитяним маятником, період якого T = 2π√(l/g) залежить від g.
Плутати коефіцієнти: маса збільшується в 4 рази — період зростає в 2 рази, а не в 4. Період пропорційний √m, а не m. Запам'ятай: збільшення маси в 4 рази подвоює період, збільшення в 9 разів — потроює.
Не переводити грами в кілограми або жорсткість із Н/см у Н/м. Формула T = 2π√(m/k) працює тільки в СІ: маса в кілограмах, жорсткість у Н/м. 200 г = 0,2 кг; 5 Н/см = 500 Н/м. Помилка на одиниці вимірювання може коштувати 2 балів за задачу з короткою відповіддю.
Вважати, що більша амплітуда збільшує період. За малих деформацій (пружних) період не залежить від амплітуди. Більша амплітуда означає більшу максимальну швидкість, але час одного коливання залишається тим самим.
Плутати T = 2π√(m/k) із періодом нитяного маятника T = 2π√(l/g). У пружинного маятника під коренем m/k, у нитяного — l/g. Запам'ятай: пружина — маса й жорсткість, нитка — довжина й g.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Період пружинного маятника» входить до розділу 4.1 програми НМТ з фізики. Ось що варто знати про формат перевірки.
Формули періодів пружинного й нитяного маятників є в довідкових матеріалах, які учасник НМТ бачить на екрані в електронній формі. Однак краще знати їх напам'ять, щоб не витрачати час на пошук.
Програма (тема 4.1) вимагає вміти обчислювати період пружинного маятника. У демоваріанті 2026 тему 4.1 представлено завданням № 10 (графік гармонічних коливань).
У завданнях на «як зміниться» період порівнюють без числових значень — потрібно лише вказати напрямок і кратність зміни (збільшиться в … разів, зменшиться в … разів, не зміниться).
Коротка відповідь (завдання № 17–22, 0 або 2 бали): потрібно записати число в одиницях, указаних в умові. Значення π чи π² зазвичай дають в умові (у демо 2026 у задачі № 18 — π² = 10).
Стратегія: спочатку визнач тип маятника (пружинний чи нитяний), потім обери відповідну формулу. Переконайся, що всі величини подано в СІ. Якщо в задачі є графік, зніми з нього амплітуду й період.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому період пружинного маятника не залежить від g?
Тому що в формулу T = 2π√(m/k) прискорення вільного падіння g не входить. Сила тяжіння впливає лише на положення рівноваги вертикального маятника (зміщує його вниз на Δl = mg/k), але повертальна сила, що спричиняє коливання, визначається виключно пружними властивостями пружини. Тому період однаковий на Землі, на Місяці й у космосі.
Що змінюється, якщо змінити амплітуду?
Період і частота залишаються незмінними (за малих деформацій). Змінюється максимальна швидкість вантажу: чим більша амплітуда, тим більша швидкість у положенні рівноваги. Також зростає максимальна сила пружності (F_max = kA) і максимальне прискорення (a_max = (k/m)·A). Але час одного повного коливання — той самий.
Чому пружина, розрізана навпіл, коливається швидше?
Жорсткість пружини обернено пропорційна її довжині. Якщо розрізати пружину навпіл, кожна половинка має вдвічі більшу жорсткість (k' = 2k). Оскільки період T ∝ 1/√k, збільшення жорсткості вдвічі зменшує період у √2 ≈ 1,41 раза, тобто частота зростає. Пружина коливається швидше.
Чи можна використати вертикальний маятник у невагомості?
Так, можна. У невагомості вантаж на пружині теж коливатиметься, якщо його вивести з рівноваги. Формула T = 2π√(m/k) працює без змін. Однак формула T = 2π√(Δl/g) не працює, бо в невагомості Δl = 0 (пружина не розтягується в рівновазі). Тому для невагомості використовуй лише основну формулу через m і k.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
T = 2π√(m/k); ν = 1/T
Масу збільшують у 4 рази — період зростає вдвічі.
Період не залежить від амплітуди й від g.
Вертикальний і горизонтальний маятники мають однаковий період.
T = 2π√(Δl/g) для вертикального маятника.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Пружинний маятник перенесли з поверхні Землі на поверхню Місяця, де прискорення вільного падіння приблизно в 6 разів менше. Як зміниться період коливань маятника?
2. Пружину розрізали на дві рівні частини й використали одну з половинок для того самого вантажу. Як змінився період коливань порівняно з початковим?
3. Вертикальний пружинний маятник у положенні рівноваги розтягує пружину на 2,5 см. Чому дорівнює період його коливань? $g = 10$ м/с², $\pi = 3{,}14$.
4. Масу вантажу пружинного маятника зменшили в 4 рази. Як змінилася частота коливань?
5. Як зміниться період коливань пружинного маятника, якщо жорсткість пружини збільшити в 9 разів?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест