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输入计算

数学公式

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结果

单摆周期
2.0061
秒每摆
摆长 1 m
周期 2.0061 s
频率 0.4985 Hz
采用的重力加速度 9.81 m/s²

这个计算器能做什么

摆钟依靠配重摆杆的匀速摆动来计时。本工具可以根据摆长计算单摆的周期(即完成一次来回摆动所需的时间),也能反向推算:要得到某个目标周期,需要多长的摆?例如"秒摆"所采用的每秒一拍的节奏。重力加速度可自由调整,因此你可以模拟地球上任何地点,甚至其他星球的情况。

公式详解

在摆角较小时,单摆的周期为 $$T = 2\pi \sqrt{\dfrac{L}{g}}$$ 其中 \(L\) 是以米为单位的摆长,\(g\) 是重力加速度(在地球上约为 \(9.81 \text{ m/s}^2\))。值得注意的是,周期只取决于摆长和重力,而与摆锤的质量或摆动幅度无关(前提是摆角较小)。把公式变形,就能求出达到目标周期所需的摆长:$$L = g \cdot \left(\dfrac{T}{2\pi}\right)^{2}$$ 频率则是周期的倒数,\(f = 1/T\),单位为赫兹。

显示支点、长度 L、摆角 theta 和垂直参考线的单摆
单摆:长度 L 从支点测量到摆锤中心。

使用方法

先选择要求解的是周期还是摆长。输入已知数值(以米为单位的摆长,或以秒为单位的目标周期),确认重力加速度的取值,即可读取结果。结果表格还会显示频率,让你了解每秒摆动多少次。

实例演算

在地球上,一根 1 米长的摆:$$T = 2\pi \sqrt{\dfrac{1}{9.81}} = 2\pi \times 0.3193 = 2.0064 \text{ 秒}$$ 如果想做一台周期为 2 秒的摆钟,所需摆长为 $$L = 9.81 \times \left(\dfrac{2}{2\pi}\right)^{2} = 9.81 \times 0.10132 = 0.9939 \text{ 米}$$——接近 1 米,这也正是经典落地钟(祖父钟)摆长大致如此的原因。

位移-时间正弦曲线,其中一次完整振动标记为周期 T
周期 T 是完成一次来回摆动所需的时间。

常见问题

摆锤的重量会影响周期吗?不会。对于理想的单摆而言,周期与质量无关。

为什么我家真实的钟会有些许误差?该公式假设摆角很小且摆杆没有质量。在实际中,大幅摆动、空气阻力以及摆杆自身的质量都会带来微小的修正。

什么是"秒摆"?指周期为 2 秒(每个单向摆动恰好用时 1 秒)的摆,在地球上需要约 0.994 米的摆长。

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