小时候荡过秋千的举左手,小时候摔下来过的举右手。今天中二所来教大家荡秋千。实验器材包括所标杯、铁架台、弹簧、重物。首先将弹簧挂在铁架台上,将重物挂在弹簧上,将重物竖直向上轻轻抬起一点,然后放手。会发现随着重物上下振动,居然慢慢荡起了秋千。对于我们的系统,或者是秋千,存在两个方向的振动:竖直方向弹簧的振动,和水平方向的摆动。当两个方向的振动满足一定的关系时,便会发生共振,使摆动振幅越来越大。
这种现象称为参数共振。参数共振得名于系统的参数随着时间变化,比如本例中摆长在随时间改变。这导致了摆的周期,或者说振动角速度随着时间周期性的变化。在摆动的小角度近似下,水平方向的摆动对竖直方向的振动影响不大,我们可以直接写出摆长以简谐方式变化。那么此时水平方向单摆的运动方程为参数Ω随时间变化。对方程进行近似:根据微分方程理论,方程可能存在如下形式的解,其中a和b随时间变化缓慢。
将解代入方程,得到又根据微分方程理论,假设解具有指数形式代入方程,得到解出可以知道在时,α为实数,单摆振幅会逐渐增大。经过一通计算,我们知道了当纵向振动频率约为横向摆动频率的2倍时,摆动振幅会越来越大。再代入弹簧振子和单摆的频率公式,设k为弹簧劲度系数、l为弹簧原长、mg为重物重力、Δl=mg/k为弹簧静止时伸长量。解出我们得到结论,挂上重物后,弹簧伸长量等于弹簧原长的1/3时,可以发生参数共振。
在荡秋千时,发生的事情与上面的类似。当我们在秋千上,在最低点站起、在最高点蹲下时,就在以秋千频率两倍的改变秋千的摆长。根据我们上面的计算,就会发生参数共振,让秋千越荡越高。另外,中二所也在第203期Q&A栏目中回答过这个问题哦。