Tlumený oscilátor
Použité senzory: Akcelerometr
Kategorie: Mechanika
Potřeby: chytrý telefon s aplikací Phyphox, pružina, nádoba s vodou, závaží, držák na mobil (možné vyrobit), provázek, gumička, stojan, ziplokový sáček, notebook
Teorie
Tlumené kmity jsou typem oscilací, při kterých amplituda kmitání postupně klesá vlivem odporových sil, například tření nebo odporu prostředí. Tento proces nastává, protože část energie oscilujícího systému se přeměňuje na jiný druh energie, obvykle na teplo. V reálném světě se tlumené kmity vyskytují například u automobilových tlumičů, hodinového kyvadla nebo konstrukcí vystavených vibracím.
Postup
Na rozdíl od experimentu "Kyvadlo" na předchozích stranách, vyžaduje experiment "Tlumený oscilátor" pružinu. Není proto většinou technicky možné, aby si ho žáci vyzkoušeli sami (doma) – školy tolika pružinami nejspíš nedisponují. Jde tedy spíše o demonstrační experiment. Zároveň je třeba i trochu odvahy, neboť náš mobilní telefon bude viset nad nádržkou s vodou. Pokus sestavíme následovně (Obr. 1): telefon připevníme k pružině, která je zavěšena na stabilní konstrukci. Jako držák telefonu můžeme použít držák z papírové trubky nebo plastového sáčku, popř. si vyrobit vlastní dle fantazie. Telefon by měl být v každém případě pevně uchycen, aby zůstal v držáku stabilní při pohybu nahoru a dolu. Pod mobilní telefon zavěsíme závaží (jaké závaží použijeme, závisí na tuhosti pružiny), které ponoříme do vody v nádrži umístěné pod mobilním telefonem. Tímto způsobem budeme simulovat silnější tlumení.
Obrázek 1. Uspořádání pokusu.
Telefon lze použít samostatně, avšak pohodlnější je ovládání pomocí jiného zařízení (například notebooku nebo tabletu) přes vzdálené rozhraní. To nastavíme podle návodu v úvodním textu, ale až po výběru experimentu – "Akcelerace bez g" (popř. "Pružina") (Obr. 2).
Obrázek 2. Nastavení v aplikaci Phyphox.
Zpracování
Data zaznamenaná akcelerometrem se zobrazují v grafech aplikace Phyphox. Pro pružinový oscilátor bez tlumení lze analyzovat frekvenci a periodu oscilací, a to buď na základě výpočtu, nebo výpočet můžeme přenechat na mobilním telefonu (tato možnost je přístupná v experimentu "Pružina", pod záložkou "Výsledky"). U tlumeného oscilátoru je patrné postupné snižování amplitudy pohybu vlivem odporu vody.
Poznámky
Pokud pokus trochu upravíme, můžeme měřit i rezonanční křivku pružiny (viz demonstrační videa níže). U takto buzeného oscilátoru je pružina připojena k motoru, který periodicky pohybuje oscilátorem nahoru a dolů, což umožňuje zkoumání rezonance při různých frekvencích. V případě buzeného oscilátoru lze pozorovat rezonanci, kdy amplituda pohybu výrazně narůstá při specifické frekvenci motoru. V aplikaci Phyphox toto měření provádíme v experimentu "Pružina" v záložce "Rezonance".
Při experimentu je důležité zajistit pevné uchycení telefonu, zejména u rezonance, kde může docházet k silným vibracím a vysokým amplitudám. Pokud zařízení není dostatečně zajištěné, hrozí jeho poškození. U tlumeného oscilátoru by telefon neměl přijít do styku s vodou. Výsledky lze využít pro diskusi o reálných aplikacích harmonického pohybu, například při studiu tlumení u automobilových tlumičů nebo rezonance v konstrukcích.
Demonstrační videa (v angličtině a němčině):