单摆的周期与近似计算公式
简介


单摆(Simple Pendulum)是能够产生往复摆动的一种装置,将无重细杆或不可伸长的细柔绳一端悬于重力场内一定点,另一端固结一个重小球,就构成单摆。若小球只限于铅直平面内摆动,则为平面单摆,若小球摆动不限于铅直平面,则为球面单摆。
单摆运动的近似周期公式为:

其中,L为摆长,g为当地的重力加速度。
在高中视角,在非常小的振幅(摆角<10°)下,单摆做简谐运动的周期跟摆长的平方根成正比,跟重力加速度的平方根成反比,跟振幅、摆球的质量无关。
实际上,单摆的周期也与振幅(摆角)有复杂的关系。
伯努利(Bernoulli)的近似公式

其中,L为摆长,g为当地的重力加速度,θ为摆角(角度制)。
在摆角为41°时,伯努利的近似公式误差为0.1%,摆角为60°时,误差为0.5%。
基德-福格(Kidd-Fogg)的近似公式

其中,L为摆长,g为当地的重力加速度,θ为摆角(角度制)。
在摆角为57°时,基德-福格的近似公式误差为0.1%,摆角为90°时,误差为0.8%。
莫利纳(Molina)的近似公式

其中,L为摆长,g为当地的重力加速度,θ为摆角(角度制)。
在摆角为69°时,莫利纳的近似公式误差为0.1%,摆角为90°时,误差为0.4%。
实际上,单摆的周期是用椭圆积分表示的。