MyPhysicsLab – Single Spring

This simulation shows a single mass on a spring, which is connected to a wall. This is an example of a simple linear oscillator.
You can change parameters in the simulation such as mass, spring stiffness, and friction (damping). You can drag the mass with your mouse to change the starting position.

 



คลิกเข้าไปทดลอง  คลิกค่ะ

ทดลองไม่ได้ให้ Download  มา setup ที่เครื่องของท่านก่อนครับ Download จากฟิสิกส์ราชมงคล

Puzzles

Try using the graph and changing parameters like mass or spring stiffness to answer these questions about the spring simulation:

  • What is the relationship between acceleration and position?

  • How do mass or spring stiffness affect the relationship between acceleration and position?

  • How do mass or spring stiffness affect the period or frequency of the oscillation?

You'll find the answers below.

To show the graph and parameters, click on the "show graph+controls" button above. You can set what variables are shown on the vertical or horizontal axis by selecting from the pop-up menu above. To change a parameter, click on it, type the new value and hit the enter key.

Physics

Define the following variables and constants

  • x = position of the block

  • v = x' = velocity of the block

  • m = mass of the block

  • R = rest length of the spring

  • k = spring stiffness

  • b = damping constant (friction)

A spring generates a force proportional to how far it is stretched (and acting in the opposite direction to the stretch) Fspring = −k stretch If we adjust the coordinate system so that x = 0 corresponds to the spring being unstretched, then the stretch of the spring is simply equal to x. The spring force becomes Fspring = − k x In addition, there is a damping (friction) force that resists the motion. It is proportional to the velocity. So we add Fdamping = −b v to get the total force F = Fspring + Fdamping = − k xb v Combining this with Newton's law of motion F = m a, and the definition of acceleration as the second derivative of position a = x'' we have the differential equation: m x'' = −k xb v or equivalently:

x'' = − km xbm x'

(1)

Equation (1) is the equation of motion for the spring, defining exactly what happens over time.

You can actually see equation (1) visually if you turn on the graph in the simulation. Suppose there is no damping (set damping to zero). Then if you set the graph on the simulation to plot acceleration against position, you will get a straight line, with slope = −k/m. So if you increase the stiffness of the spring, the line becomes steeper. If you increase the mass, the line becomes less steep.

Numerical Solution

To solve this equation numerically (ie. by computer) we use the Runge-Kutta method. To do so we need to convert the second order differential equation (1) into a set of first order differential equations. Note that we can write the acceleration as the first derivative of velocity: x'' = v'. Therefore we can express equation (1) as a system of two first order differential equations: x' = v v' = − km xbm v This is the form that we need in order to use the Runge-Kutta method for numerically solving the differential equation.

To begin the simulation, we initialize the two variables x,v for their value at time t=0. Then we use the Runge-Kutta algorithm to calculate the values of x,v after a short time interval, and this continues indefinitely.

Analytic Solution

An analytic solution uses mathematics to find the solution instead of the brute force of the computer. The advantage is that we can get some more insight from the analytic solution, instead of having to analyze zillions of numbers that come from a numerical solution.

With no damping (b = 0) and the block initially not moving, the analytic solution is given by x(t) = x_0 \cos(\sqrt{k/m} \; t) where x0 = initial position of the block and t = time. The period of the oscillation is the time it takes to repeat. From the solution we see that the oscillation repeats when \sqrt{k/m} \; t = 2 \pi, and so the period is t = 2 \pi \sqrt{m/k}
The frequency is the inverse of the period: frequency = \frac{1}{2 \pi} \sqrt{k/m} So we predict that

  • increasing mass by 4 times doubles the period and halves the frequency;

  • increasing spring stiffness by 4 times halves the period and doubles the frequency;

You can check these predictions by modifying the parameters on the simulation (you'll need a stopwatch to time the frequency).

 

Puzzle Answers

What is the relationship between acceleration and position?

Answer: It is a linear relationship as given by the equation x'' = − km x where x = position, x'' = acceleration, m = mass, and k = spring stiffness.

How do mass or spring stiffness affect the relationship between acceleration and position?

Answer: From the equation x'' = − km x we know that there is a simple linear relationship between acceleration and position. The mass and spring stiffness affect the slope of this line.

  • Increasing mass makes the line less steep.

  • Increasing spring stiffness makes the line steeper.

How do mass or spring stiffness affect the period or frequency of the oscillation?

Answer: The analytic solution is x(t) = x_0 \cos(\sqrt{k/m} \; t) and the frequency is given by frequency = \frac{1}{2 \pi} \sqrt{k/m} So we predict that

  • increasing mass by 4 times doubles the period and halves the frequency;

  • increasing spring stiffness by 4 times halves the period and doubles the frequency;

 

MyPhysicsLab – Physics Simulation with Java

     Click on one of the physics simulations below... you'll see them animating in real time, and be able to interact with them by dragging objects or changing parameters like gravity. Get Java software if you don't already have it.
single spring
single spring
double spring
double spring
pendulum
pendulum
chaotic pendulum
chaotic pendulum
double pendulum
double pendulum
2D spring
2D spring
double 2D spring
double 2D spring
colliding blocks
colliding blocks
cart with pendulum
cart with pendulum
dangling stick
dangling stick
rigid body collisions
rigid body
collisions
 
sumo wrestling simulation
sumo wrestling
game
 
roller coaster
roller coaster

roller coaster with spring
roller coaster
with spring
roller coaster with 2 balls
roller coaster
with 2 balls
roller coaster with flight
roller coaster
with flight
molecule 2
molecule 2
molecule 3
molecule 3
molecule 4
molecule 4
molecule 5
molecule 5
molecule 6
molecule 6

 

ศัพท์วิทยาศาสตร์ ฉบับราชบัณฑิตสถาน

A  B  D  F  G  H  I  J  K  L  M  N  O  Q  R  S  T  U  V  W  X  Y 

                        ถ                                       อ   

นักวิทยาศาสตร    หน่วย      ศัพท์แผ่นดินไหวตัวอักษรจาก A-M   จาก N-Z

  A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

       บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์    

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3    เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL  พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2 

กลศาสตร์เวกเตอร์

โลหะวิทยาฟิสิกส์

เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1

ฟิสิกส์  2 (บรรยาย)

แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์

วีดีโอการเรียนการสอน

หน้าแรกในอดีต

แผ่นใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF

สุดยอดสิ่งประดิษฐ์

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ 

ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)

พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์ 

ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์

เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์

คำศัพท์ประจำสัปดาห์

 

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก

ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์เทศ

นักวิทยาศาสตร์ไทย

ดาราศาสตร์พิศวง 

การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์

การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด

2. เวกเตอร์

3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ

4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ

5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

7.  งานและพลังงาน 

8.  การดลและโมเมนตัม

9.  การหมุน  

10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง

11. การเคลื่อนที่แบบคาบ

12. ความยืดหยุ่น

13. กลศาสตร์ของไหล  

14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน

15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก 

16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17.  คลื่น

18.การสั่น และคลื่นเสียง

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต

2.  สนามไฟฟ้า

3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า

6. กระแสไฟฟ้า 

7. สนามแม่เหล็ก

 8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ 

10. ทรานซิสเตอร์ 

11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

14. กลศาสตร์ควอนตัม

15. โครงสร้างของอะตอม

16. นิวเคลียร์ 

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. จลศาสตร์ ( kinematic)

   2. จลพลศาสตร์ (kinetics) 

3. งานและโมเมนตัม

4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง

5.  ของไหลกับความร้อน

6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า 

7. แม่เหล็กไฟฟ้า 

8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง

9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร์ 

 

 

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์