什么是复摆?
复摆(又称物理摆)是指任何在重力作用下绕固定水平轴摆动的刚体。与单摆不同,复摆的质量是分布在整个物体上的,而不是集中在某一点。常见的例子有摆动的杆、钟摆和悬挂的招牌等。它的摆动规律由刚体绕转轴的转动惯量以及质心的位置共同决定。
计算公式
在小角度摆动的情况下,周期为:
$$T = 2\pi \sqrt{\dfrac{\text{Inertia } I}{\text{Mass } m \cdot \text{Gravity } g \cdot \text{Distance } d}}$$
其中 \(I\) 是绕转轴的转动惯量(kg·m²),\(m\) 是物体的总质量(kg),\(g\) 是重力加速度(地球上约为 9.81 m/s²),\(d\) 是转轴到质心的距离(m)。频率则可直接由 \(f = 1/T\) 求得。
如何使用本计算器
依次输入绕转轴的转动惯量、物体质量、转轴到质心的距离以及当地的重力加速度,计算器即可给出以秒为单位的周期和以赫兹为单位的频率。请注意,转动惯量 I 必须是绕实际摆动轴测得的;如果你只知道绕质心的转动惯量,可用平行轴定理(\(I = I_{cm} + m \cdot d^2\))换算。
计算实例
假设 \(I = 0.5\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\),\(m = 2\ \text{kg}\),\(d = 0.3\ \text{m}\),\(g = 9.81\ \text{m/s}^2\)。则 \(m \cdot g \cdot d = 2 \times 9.81 \times 0.3 = 5.886\)。于是 $$T = 2\pi \sqrt{\dfrac{0.5}{5.886}} = 2\pi \times \sqrt{0.084947} = 2\pi \times 0.29146 \approx 1.8313\ \text{秒}$$,对应的频率约为 0.546 Hz。
常见问题
这个公式适用于大角度摆动吗?不适用。该公式以小角度摆动(仅几度)为前提。摆幅越大,实际周期就会越长。
复摆和单摆有什么区别?单摆使用公式 \(T = 2\pi \sqrt{\dfrac{L}{g}}\),仅适用于挂在无质量细绳上的质点。复摆则把这一规律推广到了有一定体积的刚体上。
怎样求绕转轴的转动惯量?使用平行轴定理:在绕质心的转动惯量上加上 \(m \cdot d^2\) 即可。