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OSCILLATIONS We come across various types of motions in We come across various types of motions in our daily life. Some of them are nonrepetitive and some are repetitive some are repetitive. 1 VikasanaBridge Course 2012

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OSCILLATIONS

We come across various types of motions inWe come across various types of motions in our daily life. Some of them are non‐repetitive and some are repetitivesome are repetitive.

1Vikasana‐Bridge Course 2012

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Non‐repetitive motion : The motion which doesNon repetitive motion : The motion which does not repeat itself in time is called a non‐repetitive motion.

Examples :

(a) Rectilinear motion : In this motion, the body ymoves along a straight line in a specific direction.

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•.

b) The motion of a projectile : A projectile l b l hmoves along a parabolic path. 

Note: A projectile is a body thrown into space with certain velocity, making certain angle with the horizontal.

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• Repetitive motion or periodic motion :epet t e ot o o pe od c ot o :The motion which repeats at regular intervals of time is called repetitive motion.pThis is also called periodic motion.

a) The motion of leaves and branches of a tree in )breeze : In this case, leaves and branches move back and forth repeatedly.

b) The motion of a pendulum in a wall clock.c) The motion of planets in the solar system.

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Types of Repetitive Motion or (Periodic Motion) :Types of Repetitive Motion or (Periodic Motion) :

They are classified into two types. One is rotatory motion and other is oscillatory motionmotion and other is oscillatory motion.

Rotatory Motion :

The motion of planets, blades of a fan, giant wheel and spinning of a top represent rotatory motion.

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Oscillatory motion :Oscillatory  motion  :

h i i hi h h b d dThe motion in which the body moves to and fro repeatedly about its mean position is ll d ill icalled oscillatory motion.

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a)A ball placed in a bowl will be in equilibriuma)A ball placed in a bowl will be in equilibrium position. If it is displaced a little from its equilibrium position, it will perform oscillations. q p , p

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b) The motion of a boat tossing up and down in a river. 

c) The motion of a swinging swing. 

d) The motion of a pendulum in a wall clock. ) p

e) The motion of air molecules in propagation of sound. 

• Note : In your house‐hold electric service, the voltage and current vary periodically in time. This is also a periodic motionmotion.

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Some Definitions: Displacement,  Amplitude,  Frequency and Period of oscillationsFrequency  and Period  of  oscillations.

• Displacement of an oscillating body : It is the di l t f ill ti b d f itdisplacement of an oscillating body from its mean position.

• It is also defined as change in the position vector of an oscillating body.

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• For an oscillating simple pendulum the angleFor an oscillating simple pendulum, the angle made by the pendulum with the vertical is regarded as angular displacementregarded as angular displacement.

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• Amplitude : Amplitude of an oscillating bodyAmplitude : Amplitude of an oscillating body is defined as the magnitude of maximumdisplacement of the body from its meandisplacement of the body from its mean position. Suppose a body is oscillating between A and B with the mean position Obetween A and B with the mean position O. Then amplitude is OA or OB.

• A                            O                           BVikasana‐Bridge Course 2012 11

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• In the case of simple pendulum, it is the small p p ,angle from the vertical through which simple pendulum is displaced from its mean position or equilibrium positionequilibrium position.

• One oscillation : One complete to and fro motionOne oscillation : One complete to and fro motion of the oscillating body is called one oscillation.

• Frequency : It is the number of oscillation made by the body in one second

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• Period : It is the time taken by a body toPeriod : It is the time taken by a body to complete one oscillation.

• Mean Position or Equilibrium Position : It is a• Mean Position or Equilibrium Position : It is a position of the body when the net force acting on it is zeroon it is zero.

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• Phase of a particle in oscillatory motion :ThisPhase of a particle in oscillatory motion :This represents the state of vibration of the particle at a given time From phase we canparticle at a given time. From phase, we can know where the particle is and in which direction it is moving or about to move withdirection it is moving or about to move with respect to its mean position.

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• Oscillations in springs ‐ Simple HarmonicOscillations  in  springs   Simple  Harmonic  Motion.

Consider a block of mass ‘m’ fixed to aConsider a block of mass  m  fixed to a spring which in turn is fixed to a rigid wall as shown in the figure The block is placed on ashown in the figure. The block is placed on a frictionless horizontal surface. 

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If the block is pulled on one side and is released, it executes to and fro motion about its mean position. Here B represents mean position. A and C represent maximum displacement positions.When the spring is deformed, there arises an internal force in the spring which tries to bring the spring to its original shape. Such force is called a restoring force. Here the restoring force is directly proportional to displacement of the

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block and acts in opposite direction.

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Such motion is called simple harmonic motionSuch motion is called simple harmonic motion.In the case of simple harmonic motion, displacement can be represented by means ofdisplacement can be represented by means ofsine function, y = a sinwt

where a = amplitude, wt = phase.

Other examples : a) Simple pendulum slightly pushed to one side executes S H M

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pushed to one side executes S.H.M.

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Simple Pendulum Animation - YouTube.flvSimple Pendulum Animation - YouTube.flv

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•.

b) Atoms or molecules in a solid execute S.H.M.

CLASSIFICATION OF OSCILLATIONS

They are classified into free oscillations, damped oscillations and forced oscillations.

Free Oscillations : Suppose a body capable of oscillations is displaced from its mean positionoscillations is displaced from its mean position and left free to itself. It oscillates with a definite frequency and amplitude.

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These oscillations are called free oscillations and the definite frequency is called natural frequency of the body. Here we assume absence of frictional forces. Hence these oscillations are idealized oscillations.(not real). Amplitude is always constant in free oscillations

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• Note : In case of simple pendulum, natural frequency depends upon length of the pendulum and acceleration due to gravityupon length of the pendulum and acceleration due to gravity.

• Simple Pendulum : It is a very small heavy metal bob suspendedat a point from a firmly fixed support using a single strand threadso  that  it  oscillates  freely.  The  distance  between  the  point  of suspension and centre of bob is called length of the p gpendulum.

• Second’s Pendulum : It is simple pendulum of time periodSecond s  Pendulum  : It  is  simple  pendulum  of  time  periodtwo  seconds.

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Damped Oscillations : Suppose a simple pendulum i t i t ill ti H i d d f i ti t is put into oscillation. Here air drag and friction at support oppose oscillations of the pendulum and dissipate energy of pendulum gradually Then dissipate energy of pendulum gradually. Then pendulum makes oscillations with decreasing amplitude. Such oscillations are called damped p poscillations. At one point of time, energy of the pendulum is totally dissipated. As a result pendulum comes to rest.

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Other examples : Oscillations of a swing, oscillations of a stretched string.

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• Forced Oscillations : Suppose a child is in i i i M h i l f iswinging swing. Mechanical energy of swing 

decreases because of internal as well as external frictional forces As a result amplitudeexternal frictional forces. As a result amplitude of swinging decreases gradually and the system ultimately comes to a halt. With the y yhelp of appropriately timed pushes, the swinging can be sustained and its amplitude can be increased. Oscillations made by the swing under these conditions are called forced 

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or driven oscillations.

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• When the frequency of appropriately timed q y pp p ypushes is equal to natural frequency of the swing, there is a dramatic increase in the g,amplitude. This is called resonance.

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Example‐1 : Pendula of different lengths are suspendedExample 1 : Pendula of different lengths are suspended from a string. They are P, Q, R and S. P and R having same length, have same natural frequency. If P is set swinging, others are forced to oscillate because they are coupled by stretched string. Here R will oscillate ith t t lit d d twith greatest amplitude due to resonance.

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Example 2 : Tacoma Narrows Bridge in Example - 2 : Tacoma Narrows Bridge in Washington state (USA) collapsed in 1940 because of resonant vibrations Winds because of resonant vibrations. Winds blowing on that occasion through the bridge set vibrations in bridge at a frequency near the set vibrations in bridge at a frequency near the natural frequency of the bridge. Then the bridge oscillated with large amplitude As a bridge oscillated with large amplitude. As a result, the bridge collapsed.

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Question and AnswerQuestion and Answer

1) What is a repetitive motion? Give an example.

h i hi h lAns The motion which repeats at regular intervals of time is called repetitive motion. E l h i f d l i llExample : the motion of a pendulum in a wall clock. 

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2 What is an oscillatory motion ? Give an2. What is an oscillatory motion ? Give an example. 

Ans The motion in which the body moves to andAns The motion in which the body moves to and fro repeatedly about its mean position is called oscillatory motioncalled oscillatory motion. 

Example : The motion of a boat tossing up and d i idown in a river. 

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3) What is the mean or equilibrium position of an ) q poscillating body. 

Ans Equilibrium position of an oscillating body is the position of the body when the net force acting onposition of the body when the net force acting on it is zero. 

4) Define a phase of particle in oscillatory motion?Ans Phase is the state of vibration of a particle at pgiven instant of time. 

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5) What are damped Oscillations ? Give an5) What are damped Oscillations ? Give an example. 

Ans Oscillations of a simple pendulum areAns Oscillations of a simple pendulum are opposed by air drag and friction at its support. As a result pendulum makes oscillations withAs a result pendulum makes oscillations with decreasing amplitude. Such oscillations are called damped oscillationscalled damped oscillations. 

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6) What are forced oscillations ?6) What are forced oscillations ? 

Ans Oscillations of a pendulum die out in course of time due to internal and external frictionalof time due to internal and external frictional forces. But they can be sustained with the help of an appropriate external force Suchhelp of an appropriate external force. Such oscillations are called forced oscillations. 

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7) What is a resonance ?7) What is a resonance ? 

Ans It is the condition in which the frequency of the appropriate external force is equal to thethe appropriate external force is equal to the natural frequency of the body at which the body oscillates with large amplitudebody oscillates with large amplitude. 

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8) The Oscillations of a particle is given by y = 108) The Oscillations of a particle is given by y = 10 sinwt where displacement Y is in metre. Find the amplitudethe amplitude.

Sol. We  know  y  =  a  sin  wt

H 10 iHere   y  =  10  sin  wt

...  a  =  10  m

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• Thank You

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