2 Most FAQ’s of Oscillations Chapter in Inter 1st Year Physics (TS/AP)

8 Marks

LAQ-1 : Show that the motion of a simple pendulum is simple harmonic and hence derive an equation for its time period. What is a seconds pendulum?

For Backbenchers 😎

Imagine a weight, like a small ball, hanging from a string. When you pull it to one side and let it go, it swings back and forth. That’s a simple pendulum.

Now, why does it swing back and forth in such a regular way? It’s because of gravity. Gravity pulls the weight down, and when you pull it to the side and let go, it wants to go back to its resting position. So, it swings back and forth like a clock’s pendulum.

We can measure how fast it swings, and that’s called the “time it takes for one swing,” or the time period. It’s like counting how many seconds it takes for one full back-and-forth swing.

Scientists figured out a formula to calculate this time period for any simple pendulum. It depends on how long the string is (the length) and how strong gravity is (the acceleration due to gravity). The formula is T = 2π √(l/g), where T is the time period, l is the length of the string, and g is how strong gravity is.

Now, a “Seconds Pendulum” is a special one. It’s called that because it takes exactly two seconds to swing back and forth once. Imagine it like a super precise clock. To make a pendulum into a “Seconds Pendulum,” you just need to adjust the string’s length until it takes exactly two seconds for one swing. It was important for accurate timekeeping in the past.

So, in the simplest terms, a simple pendulum is like a weight on a string that swings back and forth because of gravity. The time it takes to swing depends on how long the string is and how strong gravity is. And a “Seconds Pendulum” is a special one that takes two seconds for one swing, like a super accurate clock.

మన తెలుగులో

ఒక చిన్న బంతి వంటి బరువును తీగ నుండి వేలాడుతున్నట్లు ఊహించుకోండి. మీరు దానిని ఒక వైపుకు లాగి వదిలేస్తే, అది ముందుకు వెనుకకు ఊపుతుంది. అదొక సాధారణ లోలకం.

ఇప్పుడు, అది ఇంత క్రమ పద్ధతిలో ఎందుకు ముందుకు వెనుకకు ఊగుతుంది? అది గురుత్వాకర్షణ వల్ల. గురుత్వాకర్షణ బరువును క్రిందికి లాగుతుంది, మరియు మీరు దానిని పక్కకు లాగి, విడిచిపెట్టినప్పుడు, అది తన విశ్రాంతి స్థానానికి తిరిగి వెళ్లాలని కోరుకుంటుంది. కాబట్టి, అది గడియారపు లోలకంలా ముందుకు వెనుకకు ఊగుతుంది.

అది ఎంత వేగంగా స్వింగ్ అవుతుందో మనం కొలవగలము మరియు దానిని “ఒక స్వింగ్ కోసం పట్టే సమయం” లేదా సమయ వ్యవధి అని పిలుస్తారు. ఇది ఒక పూర్తి వెనుకకు మరియు వెనుకకు ఎన్ని సెకన్లు పడుతుందో లెక్కించడం లాంటిది.

ఏదైనా సాధారణ లోలకం కోసం ఈ కాల వ్యవధిని లెక్కించడానికి శాస్త్రవేత్తలు ఒక సూత్రాన్ని కనుగొన్నారు. ఇది స్ట్రింగ్ ఎంత పొడవుగా ఉంది (పొడవు) మరియు గురుత్వాకర్షణ ఎంత బలంగా ఉందో (గురుత్వాకర్షణ కారణంగా త్వరణం) ఆధారపడి ఉంటుంది. సూత్రం T = 2π √(l/g), ఇక్కడ T అనేది కాల వ్యవధి, l అనేది స్ట్రింగ్ యొక్క పొడవు మరియు g అనేది గురుత్వాకర్షణ ఎంత బలంగా ఉందో.

ఇప్పుడు, “సెకండ్స్ పెండ్యులం” ఒక ప్రత్యేకమైనది. ఒకసారి ముందుకు వెనుకకు స్వింగ్ చేయడానికి సరిగ్గా రెండు సెకన్లు పడుతుంది కాబట్టి దీనిని అలా పిలుస్తారు. ఇది చాలా ఖచ్చితమైన గడియారంలా ఊహించుకోండి. ఒక లోలకాన్ని “సెకండ్స్ లోలకం”గా చేయడానికి, మీరు ఒక స్వింగ్‌కి సరిగ్గా రెండు సెకన్లు పట్టే వరకు స్ట్రింగ్ పొడవును సర్దుబాటు చేయాలి. ఇది గతంలో ఖచ్చితమైన సమయపాలనకు ముఖ్యమైనది.

కాబట్టి, సరళమైన పదాలలో, ఒక సాధారణ లోలకం అనేది గురుత్వాకర్షణ కారణంగా ముందుకు వెనుకకు స్వింగ్ అయ్యే స్ట్రింగ్‌పై బరువు వంటిది. స్వింగ్ చేయడానికి పట్టే సమయం స్ట్రింగ్ ఎంత పొడవుగా ఉంది మరియు గురుత్వాకర్షణ ఎంత బలంగా ఉంది అనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. మరియు “సెకండ్స్ పెండ్యులమ్” అనేది ఒక సూపర్ కచ్చితమైన గడియారం వంటి ఒక స్వింగ్‌కు రెండు సెకన్లు పట్టే ప్రత్యేకమైనది.

Introduction

A simple pendulum consists of a small mass, called a bob, suspended from a fixed point by a string of negligible mass and assumed to be inextensible. The motion of a simple pendulum is a classic example of Simple Harmonic Motion (SHM) under the influence of gravitational force.

Demonstration of SHM in a Simple Pendulum

  1. For small angles (θ), the restoring force acting on the pendulum bob is proportional to the displacement from its equilibrium position. This force is due to gravity.
  2. The restoring force (F) is given by F = −mg sin(θ), where m is the mass of the bob, g is the acceleration due to gravity, and θ is the angular displacement.
  3. For small angles, sin(θ) can be approximated as θ (in radians), making the force F ≈ −mgθ.
  4. This force being directly proportional to the negative of the displacement indicates that the motion of the pendulum is Simple Harmonic.

Derivation of Time Period of a Simple Pendulum

  1. The equation of motion for the pendulum can be written as $$m\frac{d^2x}{dt^2} = -mgθ$$ simplifying to $$\frac{d^2θ}{dt^2} + \frac{g}{l}θ = 0$$ where l is the length of the pendulum.
  2. Comparing this with the standard SHM equation $$\frac{d^2x}{dt^2} + ω^2x = 0$$ we find $$ω^2 = \frac{g}{l}$$
  3. The time period (T) of SHM is given by $$T = 2π \sqrt{\frac{1}{ω^2}}$$ which leads to the formula $$T = 2π \sqrt{\frac{l}{g}}$$​​ for the time period of a simple pendulum.

Concept of a Seconds Pendulum

  1. A Seconds Pendulum is a simple pendulum whose time period for one complete oscillation is exactly two seconds, one second for a swing in one direction and one second for the return swing.
  2. To calculate the length of a seconds pendulum, use the formula $$T = 2π \sqrt{\frac{l}{g}}$$ with T set to 2 seconds. Solving for l gives the necessary length of the pendulum for it to be a seconds pendulum.

Summary

The motion of a simple pendulum is Simple Harmonic Motion for small angular displacements. The time period of a simple pendulum is derived as $$T = 2π \sqrt{\frac{l}{g}}$$ A Seconds Pendulum specifically refers to a simple pendulum with a time period of exactly two seconds, a historically significant timekeeping standard.


LAQ-2 : Define simple harmonic motion. Show that the motion of projection of a particle performing uniform circular motion, on any diameter is simple harmonic.

For Backbenchers 😎

Simple Harmonic Motion (SHM) is like a bouncing ball. Imagine you have a ball attached to a spring. When you stretch the spring and then let go, the ball goes up and down. That’s SHM.

Now, picture this: the ball is actually playing a game. It’s like the ball is pretending to move in a circle, going around and around. But when we look at it from the side, it seems like it’s bouncing.

This bouncing is special because it happens in a very predictable way, like a dance. It goes up, then down, then up again, and it keeps repeating. That’s what we call SHM.

And there’s a secret code (math equation) that describes how it bounces. It’s like telling the ball how to move. This code says that the ball’s height (how high or low it is) depends on time and some other things.

So, when you see something bouncing up and down in a nice, predictable way, like a bouncing ball or a swinging pendulum, it’s doing Simple Harmonic Motion. It’s like nature’s dance!

మన తెలుగులో

సింపుల్ హార్మోనిక్ మోషన్ (SHM) బౌన్స్ బాల్ లాంటిది. మీరు ఒక స్ప్రింగ్‌కు జోడించిన బంతిని ఊహించుకోండి. మీరు స్ప్రింగ్‌ను సాగదీసి, ఆపై వదిలిపెట్టినప్పుడు, బంతి పైకి క్రిందికి వెళుతుంది. అది SHM.

ఇప్పుడు, దీన్ని చిత్రీకరించండి: బంతి నిజానికి ఒక ఆట ఆడుతోంది. బంతి ఒక వృత్తంలో కదులుతున్నట్లు నటిస్తూ, చుట్టూ తిరుగుతూ ఉంటుంది. కానీ పక్క నుంచి చూస్తే ఎగిరి గంతేస్తున్నట్లు అనిపిస్తుంది.

ఈ బౌన్స్ ప్రత్యేకమైనది ఎందుకంటే ఇది డ్యాన్స్ లాగా చాలా ఊహించదగిన విధంగా జరుగుతుంది. ఇది పైకి, ఆపై క్రిందికి, ఆపై మళ్లీ పైకి వెళుతుంది మరియు అది పునరావృతమవుతుంది. దాన్నే మనం SHM అంటాం.

మరియు అది ఎలా బౌన్స్ అవుతుందో వివరించే రహస్య కోడ్ (గణిత సమీకరణం) ఉంది. ఇది బంతిని ఎలా కదిలించాలో చెప్పడం లాంటిది. బంతి ఎత్తు (అది ఎంత ఎక్కువ లేదా తక్కువ) అనేది సమయం మరియు కొన్ని ఇతర విషయాలపై ఆధారపడి ఉంటుందని ఈ కోడ్ చెబుతుంది.

కాబట్టి, బౌన్స్ బాల్ లేదా స్వింగింగ్ పెండ్యులం వంటి ఏదైనా చక్కగా, ఊహాజనిత రీతిలో పైకి క్రిందికి బౌన్స్ అవడాన్ని మీరు చూసినప్పుడు, అది సింపుల్ హార్మోనిక్ మోషన్‌ని చేస్తుంది. ఇది ప్రకృతి నృత్యం లాంటిది!

Definition of Simple Harmonic Motion

Simple Harmonic Motion (SHM): SHM is a type of periodic motion where the force acting on the moving object is directly proportional to the displacement from its equilibrium position and is always directed towards that position. This motion is characterized by a sinusoidal oscillation about an equilibrium point.

SHM as a Projection of Uniform Circular Motion

The concept of SHM can be visualized through the motion of a particle performing uniform circular motion (UCM) when projected onto any of its diameters.

  1. Uniform Circular Motion and Its Projection:
    • Consider a particle performing UCM in a circle of radius r with a constant angular velocity ω.
    • The projection of this motion onto any diameter of the circle results in oscillatory motion back and forth along that diameter.
  2. Analyzing the Projection:
    • At any time t, the particle’s position in the circular path can be described by an angle θ = ωt.
    • The projection on the diameter (let’s say the x-axis) will have a displacement
      x = r cos(θ) = r cos (ωt).
    • This equation x = r cos(ωt) represents a sinusoidal motion, which is the hallmark of SHM.
  3. Proof of SHM:
    • The restoring force in SHM is given by F = −kx, where k is the force constant.
    • For the projected motion, the restoring force is the component of the centripetal force along the diameter, which is proportional to the displacement x.
    • This proportional relationship between restoring force and displacement, and the sinusoidal nature of the motion, confirms that the projection of UCM on any diameter is indeed Simple Harmonic.

Summary

Simple Harmonic Motion is defined by the sinusoidal oscillation of an object about an equilibrium point with a restoring force proportional to the displacement. The projection of a particle in uniform circular motion onto any of its diameters illustrates an example of SHM, where the motion along the diameter mirrors the characteristics of SHM. This relationship provides a foundational understanding of SHM through the lens of circular motion.