תנועה ותנודה
משוואות מסדר שני
Second Order Equations
נגזרת שנייה מתארת תאוצה. קפיץ, בולם, מעגל חשמלי וכוח מחזורי הופכים לאותה משוואה — והשורשים שלה מספרים אם נראה דעיכה, תנודה או תהודה.
מפת הפרק
7 תחנות בדרך
7 יחידות לימוד עצמאיות · כ־7 שעות ו־10 דקות לשיעורים ולתרגול
- 2.1יחידת לימוד50 דקות
נגזרות שניות במדע ובהנדסה
שאלה 1: מה ננסה להבין?מכוח ותאוצה ועד קפיץ: בניית מודל מסדר שני מתוך חוק פיזיקלי.
לשיעור ← - 2.2יחידת לימוד55 דקות
מספרים מרוכבים — הכלים החשובים
שאלה 2: מה ננסה להבין?מודול, פאזה, נוסחת אוילר ושורשים מרוכבים כשפה טבעית לתנודות.
לשיעור ← - 2.3יחידת לימוד60 דקות
מקדמים קבועים
שאלה 3: מה ננסה להבין?פותרים באמצעות הפולינום האופייני ומסווגים לפי השורשים.
לשיעור ← - 2.4יחידת לימוד65 דקות
תנודות מאולצות ותגובה מעריכית
שאלה 4: מה ננסה להבין?כוח חיצוני, תגובת steady state, מעבר ורזוננס.
לשיעור ← - 2.5יחידת לימוד55 דקות
רשתות חשמל ומערכות מכניות
שאלה 5: מה ננסה להבין?מגלים שמסה–קפיץ ומעגל RLC חולקים אותה מתמטיקה.
לשיעור ← - 2.6יחידת לימוד75 דקות
מבנה הפתרון
שאלה 6: מה ננסה להבין?פונקציות גרין, תנאי התחלה וחיבור תגובות למקורות שונים.
לשיעור ← - 2.7יחידת לימוד70 דקות
התמרת לפלס
שאלה 7: מה ננסה להבין?מעבירים נגזרות למשוואה אלגברית ומטפלים ב־step וב־impulse באופן אחיד.
לשיעור ←
ביד, שלב אחר שלב
קפיץ עם חיכוך
נתונה y″ + 0.6y′ + 4y = 0, עם y(0)=1 ו־y′(0)=0.
- 1
המשוואה האופיינית היא r²+0.6r+4=0.
- 2
השורשים הם −0.3 ± i√3.91, ולכן התנועה מתנודדת ודועכת.
- 3
כותבים y=e⁻⁰·³ᵗ(C cos ωt + D sin ωt), עם ω=√3.91.
- 4
מתנאי ההתחלה מתקבלים C=1 ו־D=0.3/ω.
y(t)=e⁻⁰·³ᵗ(cos(√3.91t)+0.3/√3.91·sin(√3.91t))ניבוי, ניסוי והסבר
מעבדת חקר: משורשים לתנודה, תהודה ותגובה
התחילו מתחנה אחת, נבאו את התוצאה ורק אז שנו פרמטר. בכל תחנה תקבלו משוב וקישור לשיעור שעליו היא בנויה.
פרק 2 · ארבע תחנות חקר
ממצב התחלתי לשורשים, תהודה ותגובה
נבאו, בדקו והסבירו: תנודה ואנרגיה, משטרי ריסון, תהודה ו־RLC, הלם ולפלס.
המעבדה מחברת את כל הפרק למסלול אחד: מצב התחלתי יוצר תנודה, השורשים מסווגים אותה, מקור מחזורי חושף תהודה, והתגובה למקור כללי נבנית באמצעות גרין ולפלס. בכל תחנה מנבאים לפני שמשנים עד שלושה פרמטרים.
תחנה 1 מתוך 4
ממצב לתנודה ולפאזור
- המטרה
- לחבר בין מיקום, מהירות ותאוצה; לראות כיצד שני תנאי התחלה הופכים לרדיוס ולפאזה.
- המשימה
- נבאו את כיוון התנועה, שנו את y₀ ואת v₀, ואז הזיזו את הזמן והשוו בין גל ההעתק למעגל המצב.
- העתק y(t)
- מסלול המצב
- המצב בזמן הנבחר
בניסוי זה m=1, k=4, ωₙ=2 rad/time.
- העתק y
- -0.029
- מהירות v
- -1.999
- תאוצה a
- 0.117
- רדיוס R
- 1.000
- פאזה α
- 0.000 rad
- קינטית Eₖ
- 1.998
- אלסטית Eₚ
- 0.002
- כוללת E
- 2.000
בזמן t=0.8 מתקבלים y=-0.029, v=-1.999 ו־a=0.117; ההעתק קטן. האנרגיה מתחלקת ל־Eₖ=1.998 ו־Eₚ=0.002. נקודת המצב נשארת על מעגל ברדיוס קבוע ומסתובבת בכיוון השעון.
עכשיו בקוד
אותו רעיון, כאלגוריתם
הקוד קצר בכוונה: כל שורה מקבילה לצעד בחישוב הידני.
מהרעיון אל הקוד
מימוש חישובי
function oscillator(t, damping = 0.6, spring = 4) {
const alpha = damping / 2;
const omegaSquared = spring - alpha ** 2;
if (omegaSquared <= 0) {
throw new RangeError("this formula requires an underdamped system");
}
const omega = Math.sqrt(omegaSquared);
return Math.exp(-alpha * t) *
(Math.cos(omega * t) + alpha / omega * Math.sin(omega * t));
}
console.table([0, 1, 2, 3].map((t) => ({
t,
y: oscillator(t),
})));import numpy as np
def oscillator(t, damping=0.6, spring=4):
alpha = damping / 2
omega_squared = spring - alpha**2
if omega_squared <= 0:
raise ValueError("this formula requires an underdamped system")
omega = np.sqrt(omega_squared)
return np.exp(-alpha*t) * (
np.cos(omega*t) + alpha/omega*np.sin(omega*t)
)
for t in (0, 1, 2, 3):
print(t, oscillator(t))בדיקת שליטה מצטברת
האם כל פרק 2 יושב במקום?
שבע שאלות קצרות בודקות את רצף הפרק — מן המודל והתנאים ההתחלתיים ועד קונבולוציה והתמרת לפלס. לאחר הבדיקה תקבלו הסבר וקישור מדויק לשיעור שכדאי לחזור אליו.
מקורות להעמקה בלבד — הפרק באתר עומד בפני עצמו
מדריך המרצים: עמ׳ 40–80. הפניות מדויקות לספר מופיעות בתחתית כל שיעור.