ID: 00017619
Амплитуда малых свободных колебаний пружинного маятника равна 4 см, масса груза — 400 г, жёсткость пружины — 40 Н/м. Чему равна максимальная скорость колеблющегося груза?
Ответ укажите в метрах в секунду с точностью до одного знака после запятой.
Источник: Сборник «Отличный Результат 2026»
$A = 4$ см $= 0{,}04$ м
$m = 400$ г $= 0{,}4$ кг
$k = 40$ Н/м
Найти: $v_{max}$ — ?
Груз на пружине ходит туда-сюда — это гармонические колебания. Скорость груза всё время меняется: на краях (в точках максимального отклонения) груз на мгновение замирает, $v=0$, а вот ровно в середине, когда пружина не растянута и не сжата, груз проносится с самой большой скоростью. Нам нужна именно эта максимальная скорость.
Для гармонических колебаний максимальная скорость связана с амплитудой и циклической (круговой) частотой $\omega$ простой формулой:
$$v_{max} = A\,\omega.$$
Почему так? Координата меняется по закону $x = A\cos(\omega t)$, а скорость — это быстрота изменения координаты, $v = -A\,\omega\sin(\omega t)$. Самое большое значение синуса равно единице, поэтому и скорость в максимуме равна $A\,\omega$.
Осталось найти $\omega$. Для пружинного маятника частота зависит от того, насколько жёсткая пружина и насколько тяжёлый груз:
$$\omega = \sqrt{\dfrac{k}{m}}.$$
Жёсткая пружина (большое $k$) тянет сильнее — колеблется быстрее; тяжёлый груз (большое $m$) раскачать труднее — колеблется медленнее.
Подставим в формулу скорости:
$$v_{max} = A\sqrt{\dfrac{k}{m}} = 0{,}04\cdot\sqrt{\dfrac{40}{0{,}4}} = 0{,}04\cdot\sqrt{100} = 0{,}04\cdot 10.$$
$$v_{max} = 0{,}4\ \text{м/с}.$$
vmax = 0,4 м/с