立式:水平ばね振り子の周期の公式を使います。
$$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$$数値代入:$k = 5.0$ N/m、$m = 0.20$ kg を代入すると:
$$T = 2\pi\sqrt{\frac{0.20}{5.0}} = 2\pi\sqrt{0.040} = 2\pi \times 0.20 = 0.40\pi \fallingdotseq 1.3 \text{ s}$$(このとき角振動数は $\omega = 2\pi/T = 2\pi/(0.40\pi) = 5.0$ rad/s です。)
水平ばね振り子の周期は $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$。振幅に無関係。ばね定数が大きいほど(硬いほど)、質量が小さいほど周期は短い。
立式:単振動の加速度の最大値は $a_0 = A\omega^2$ です。$\omega^2 = k/m$ を代入すると:
$$a_0 = A \cdot \frac{k}{m}$$数値代入:$A = 0.40$ m、$k = 5.0$ N/m、$m = 0.20$ kg を代入すると:
$$a_0 = 0.40 \times \frac{5.0}{0.20} = 0.40 \times 25 = 10 \text{ m/s}^2$$設問(1)で求めた周期 $T = 0.40\pi$ s を使って:
$$a_0 = A\left(\frac{2\pi}{T}\right)^2 = 0.40 \times \left(\frac{2\pi}{0.40\pi}\right)^2 = 0.40 \times 5.0^2 = 0.40 \times 25 = 10 \text{ m/s}^2$$単振動の加速度の最大値 $a_0 = A\omega^2 = A \cdot \dfrac{k}{m}$。振動の両端(変位最大)で加速度も最大になる。等速円運動の向心加速度と対応している。
立式:力学的エネルギーは位置エネルギーと運動エネルギーの和で、一定です。最も簡単には、振動の端($x = A$, $v = 0$)で計算します。
計算:
振動の中心($x = 0$)では全エネルギーが運動エネルギーになるので:
$$v_{\max} = A\omega = 0.40 \times 5.0 = 2.0 \text{ m/s}$$ $$E = \frac{1}{2}mv_{\max}^2 = \frac{1}{2} \times 0.20 \times 2.0^2 = 0.40 \text{ J}$$単振動の力学的エネルギーは $E = \frac{1}{2}kA^2 = \frac{1}{2}mv_{\max}^2 = 2\pi^2 m f^2 A^2$ と表される。振幅の2乗に比例し、常に一定に保存される。