振盪與簡諧運動

物理擺(實擺)

物理擺是任何真實、堅硬的物體繞著一個支點擺動,而不只是繩子上的小重物。想像一根從一端吊起、開始擺動的棒球棒、一塊搖晃的店招,或是你走路時擺動的腿。它把單擺的概念延伸到質量分布開來、而非集中在單一點上的物體。

精確地說,取一個質量為 m 的剛體,在離其質心距離 d 的一點被樞接,可在重力下自由擺動。對小角度而言,運動是簡諧運動,週期為 T = 2 pi sqrt(I / (m g d)),其中 I 是相對於支點的轉動慣量:衡量物體質量如何分布在那條軸周圍。單擺只是所有質量都集中在末端的特例,此時 I = m L^2、d = L,便還原成 T = 2 pi sqrt(L/g)。

物理擺出現在真實的時鐘裡、走路的力學中(你的腿就像一個物理擺),以及懸吊結構的調校上。有一點常讓人絆倒:你必須用相對於實際支點的轉動慣量,而不是相對於質心的。平行軸定理可由質心值加上 m d^2 得出支點的值。

一根長度為 L、在一端被樞接的均勻桿,相對於該端的轉動慣量為 I = (1/3) m L^2,到質心的距離 d = L/2。它的週期為 T = 2 pi sqrt((1/3 m L^2)/(m g (L/2))) = 2 pi sqrt(2L / (3g)),比同樣長度的單擺稍短一些。

對於有大小的物體,週期用的是相對於支點的轉動慣量,而不只是長度。

要用相對於支點的轉動慣量(透過平行軸定理),而不是相對於質心的;而且小角度簡諧近似依然只在小幅擺盪時成立。

又称
compound pendulum複擺