Simpel harmonisk bevægelse

Harmonisk bevægelse

En simpel harmonisk bevægelse er i fysikken en måde at beskrive bevægelse omkring en ligevægtstilstand eller oscillation. En kraft virker for at bringe det bevægede tilbage i ligevægtstilstanden, og for simple harmoniske bevægelser specifikt gælder det, at kraften er proportional med forskydningen. Noget, der foretager en harmonisk bevægelse, kaldes en harmonisk oscillator.

Formeludledning

Som det er givet i definitionen vil kraften virke modsat og proportionalt forskydningen af det oscillerende. Kraften er altså lig den negativ placeringsforskydning gange en proportionalitetskonstant:

$F=-kx$

Præcis den samme formel kendes fra Hookes lov, der bruges til at beskrive kraften i en fjeder som udstrækningen gangen fjederkonstanten. Et lod i en fjeder kan altså lave en simpel harmonisk bevægelse og omvendt kan simple harmoniske oscillatorer beskrives som masse-fjeder-systemer. Kraften i udtrykket kan imidlertid også skrive som masse gange acceleration, og yderligere kan acceleration skrives som position differentieret to gange. Man får:

$F=-kx\Rightarrow ma=-kx\Rightarrow m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=-kx$

Derved fremkommer en lineær, homogen differentialligning. Løsningen er en funktion for placeringen, og den må således afspejle det periodiske i en funktion. En løsning er da også en sinusoidal funktion givet ved:

$x(t)=A\cos (\omega t)$

Dette kan testes ved at indsætte den på x's plads i differentialligningen:

$m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=-kx$

$\Downarrow$

$m\frac{d^2}{d{t}^2}A\cos (\omega t)=-kA\cos (\omega t)$

$\Downarrow$

$m(A{\omega }^2(-\cos (\omega t)))=-kA\cos (\omega t)$

$\Downarrow$

$-m{\omega }^{2}A\cos (\omega t)=-kA\cos (\omega t)$

Det ses, at ligningen er sand, når

$m{\omega }^2=k$

Ved omrokering af denne ligning får man:

${\omega }^2=\frac{k}{m}\Rightarrow \omega =\sqrt{\frac{k}{m}}$

$m=\frac{k}{{\omega }^2}$

Omega symboliserer vinkelfrekvensen, der hænger sammen med frekvensen af bevægelsen ved

$\omega =2\pi f$

Vinkelfrekvensen er altså er givet ved kvadratroden af fjederkonstant over massen, mens massen er givet ved fjederkonstant over vinkelfrekvensen kvadreret. Sidstnævnte sammenhæng anvendes i rummet, da vægtløsheden umuliggør en tyngdefeltsafhængig vægt. Den anvendes tilsvarende med en Quartz Crystal Microbalance til at måle tynde film.