Oscillazioni ampie e smorzate: ciò che la formula trascura

Un gioco di simulazione educativo. Prevedi quanto più a lungo durano le oscillazioni ampie e quanto in fretta si smorzano quelle reali, poi guarda un pendolo reale allontanarsi da quello ideale accanto.

PendoloSmorzamento

OSCILLAZIONI AMPIE E SMORZATE

Oscillazione ampia

Pronto
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Pendolo realePendolo ideale per piccole oscillazioniLa tua previsioneAmpiezza dell'oscillazione
Pendoli realiT₀ = 2π·√(L ÷ g)

Tempo

0.00 s

t

Angolo

— °

θ

Ampiezza

— °

θ_max

Periodo

— s

T

Oscillazioni

—

n = t ÷ T

Prevedi prima di avviare

Scrivi la tua previsione per preparare tutto. Avvia resta disattivato finché non c'è una risposta.

Prevedi ciò che la formula trascura.

Punteggio della missione—

Ogni risposta deve essere entro il 2%: ognuna vale 100 punti. Indovinarla alla prima prova aggiunge 50 punti. Una prova conta appena comincia.

✓ Risposta giusta① Al primo colpo

Come si gioca a Oscillazioni ampie e smorzate

  1. Scegli una prova e leggi il pendolo, la sua ampiezza iniziale e la parte che conserva a ogni oscillazione sulla scheda.
  2. Le oscillazioni ampie durano più di T₀ = 2π·√(L ÷ g). Le oscillazioni smorzate si riducono dello stesso fattore a ogni oscillazione.
  3. Scrivi la tua previsione e premi Avvia. Un pendolo ideale grigio oscilla accanto a quello reale.
  4. Guarda il pendolo reale restare indietro rispetto a quello ideale, o la sua ampiezza ridursi, e confronta con i tuoi segni arancioni.

Che cosa trascura la formula del pendolo?

T = 2π·√(L ÷ g) deriva dall'ipotesi che la forza di richiamo verso il centro cresca di pari passo con l'angolo. È vero per piccole oscillazioni, ma la forza reale cresce come sin θ, che resta indietro ad angoli grandi, quindi le oscillazioni larghe durano di più: circa l'1,7% in più a 30°, il 7% a 60° e il 18% a 90°. Un pendolo da orologio che oscillasse più largo andrebbe indietro: per questo gli orologiai limitano l'oscillazione a pochi gradi. Le oscillazioni reali inoltre si smorzano, perché aria e attrito portano via un po' di energia ogni volta. Un modello semplice che descrive molti oscillatori reali è che ogni oscillazione conservi la stessa frazione della sua ampiezza, per esempio il 90%. Allora l'ampiezza si riduce moltiplicando, non sottraendo: 20°, 18°, 16,2° e così via, e si dimezza dopo lo stesso numero di oscillazioni qualunque sia l'ampiezza di partenza, come il tempo di dimezzamento radioattivo. Poiché l'energia va con il quadrato dell'ampiezza, conservare il 90% dell'ampiezza significa conservare solo l'81% dell'energia. Gli ammortizzatori di un'auto smorzano apposta il sobbalzo; una buona campana o un diapason si smorzano il più lentamente possibile.

Un modello di apprendimento mirato

Le oscillazioni ampie sono calcolate esattamente da θ'' = −(g ÷ L)·sin θ, senza attrito, e durano tre o quattro oscillazioni in tempo reale. Le oscillazioni smorzate conservano il 90% della loro ampiezza a ogni oscillazione completa, riducendosi gradualmente come θ = θ₀·0,9ⁿ·cos(2π·t ÷ T₀), e si riproducono due o tre volte più veloci. Il pendolo è lungo 1 m ed è disegnato in scala; il pendolo ideale grigio segue la formula delle piccole oscillazioni. Le risposte entro il 2% sono giuste. g = 9,8 m/s².

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