Chapter 11
Vibrations and Waves
Simple Harmonic Motion
Simple harmonic is the simplest modelpossible of oscillatory motion, yet it isextremely important.
Examples:
a grandfather clock
the vibrations of atom inside a crystal
the oscillations of a buoy due to wavemotion in a lake
SHM forms the basis for understandingwave motion itself.
Hooke’s Law (again)
Fs = - k x
Fs is the spring force
k is the spring constant
It is a measure of the stiffness of the spring
A large k indicates a stiff spring and a small k indicates asoft spring
x is the displacement of the object from itsequilibrium position
x = 0 at the equilibrium position
The negative sign indicates that the force is alwaysdirected opposite to the displacement
Hooke’s Law Force
The force always acts toward theequilibrium position
It is called the restoring force
The direction of the restoring force issuch that the object is being eitherpushed or pulled toward the equilibriumposition
Hooke’s Law Applied to a Spring – Mass System
When x is positive (to theright), F is negative (tothe left)
When x = 0 (atequilibrium), F is 0
When x is negative (tothe left), F is positive (tothe right)
1301
Motion of the Spring-Mass System
Assume the object is initially pulled to adistance A and released from rest
As the object moves toward the equilibriumposition, F and a decrease, but v increases
At x = 0, F and a are zero, but v is a maximum
The object’s momentum causes it to overshootthe equilibrium position
Motion of the Spring-Mass System, cont
The force and acceleration start toincrease in the opposite direction andvelocity decreases
The motion momentarily comes to a stopat x = - A
It then accelerates back toward theequilibrium position
The motion continues indefinitely
Simple Harmonic Motion
Motion that occurs when the net forcealong the direction of motion obeysHooke’s Law
The force is proportional to the displacementand always directed toward the equilibriumposition
The motion of a spring mass system is anexample of Simple Harmonic Motion
Simple Harmonic Motion, cont.
Not all periodic motion over the samepath can be considered SimpleHarmonic motion
To be Simple Harmonic motion, the forceneeds to obey Hooke’s Law
Amplitude
Amplitude, A
The amplitude is the maximum position ofthe object relative to the equilibrium position
In the absence of friction, an object in simpleharmonic motion will oscillate between thepositions x = ±A
X = A
X = -A
X = 0
Period and Frequency
The period, T, is the time that it takes for theobject to complete one complete cycle ofmotion
From x = A to x = - A and back to x = A
The frequency, ƒ, is the number of completecycles or vibrations per unit time
ƒ = 1 / T
Frequency is the reciprocal of the period
X = A
X = -A
X = 0
Acceleration of an Object in Simple Harmonic Motion
Newton’s second law will relate force andacceleration
The force is given by Hooke’s Law
F = - k x = m a
a = -kx / m
The acceleration is a function of position
Acceleration is not constant and therefore theuniformly accelerated motion equation cannot beapplied
Elastic Potential Energy
A compressed spring has potentialenergy
The compressed spring, when allowed toexpand, can apply a force to an object
The potential energy of the spring can betransformed into kinetic energy of the object
Elastic Potential Energy, cont
The energy stored in a stretched orcompressed spring or other elastic material iscalled elastic potential energy
PEs = ½kx2
The energy is stored only when the spring isstretched or compressed
Elastic potential energy can be added to thestatements of Conservation of Energy andWork-Energy
Energy in a Spring Mass System
A block sliding on africtionless systemcollides with a lightspring
The block attachesto the spring
The systemoscillates in SimpleHarmonic Motion
1304
Energy Transformations
The block is moving on a frictionless surface
The total mechanical energy of the system is the kineticenergy of the block
1304a
Energy Transformations, 2
The spring is partially compressed
The energy is shared between kinetic energy andelastic potential energy
The total mechanical energy is the sum of the kineticenergy and the elastic potential energy
1304b
Energy Transformations, 3
The spring is now fully compressed
The block momentarily stops
The total mechanical energy is stored as elasticpotential energy of the spring
1304c
Energy Transformations, 4
When the block leaves the spring, the total mechanicalenergy is in the kinetic energy of the block
The spring force is conservative and the total energy ofthe system remains constant
1304d
Velocity as a Function of Position
Conservation of Energy allows a calculation ofthe velocity of the object at any position in itsmotion
Speed is a maximum at x = 0
Speed is zero at x = ±A
The ± indicates the object can be traveling in eitherdirection
Elastic Potential Energy
Example: An automobile having a massof 1000 kg is driven into a brick wall in asafety test. The bumper acts like a springwith a constant 5.00 x 10N/m and iscompressed 3.16 cm as the car isbrought to rest. What was the speed ofthe car before impact, assuming that noenergy is lost in the collision.
Simple Harmonic Motion and Uniform Circular Motion
A ball is attached to the rim ofa turntable of radius A
The focus is on the shadowthat the ball casts on thescreen
When the turntable rotateswith a constant angularspeed, the shadow moves insimple harmonic motion
1308
Angular Frequency
The angular frequency is related to thefrequency
The frequency gives the number of cycles persecond
The angular frequency gives the number ofradians per second
Period and Frequency from Circular Motion
Period
This gives the time required for an object of mass mattached to a spring of constant k to complete onecycle of its motion
Frequency
Units are cycles/second or Hertz, Hz
Simple Harmonic Motion
Example: An object-spring systemoscillates with an amplitude of 3.5 cm. Ifthe spring constant is 250 N/m and theobject has a mass of 0.50 kg, determinethe (a) mechanical energy of thesystem, (b) the maximum speed of theobject, and (c) the maximumacceleration of the object.
Motion as a Function of Time
Use of a referencecircle allows adescription of themotion
1312
Motion as a Function of Time
x = A cos (2ƒt)
x is the position attime t
x varies between +Aand -A
1312
Graphical Representation of Motion
When x is a maximumor minimum, velocity iszero
When x is zero, thevelocity is a maximum
When x is a maximum inthe positive direction, ais a maximum in thenegative direction
1313
Motion Equations
Remember, the uniformly acceleratedmotion equations cannot be used
x = A cos (2ƒt) = A cos t
v = -2ƒA sin (2ƒt) = -A  sin t
a = -42ƒ2A cos (2ƒt) =
-A2 cos t
Verification of Sinusoidal Nature
This experiment shows thesinusoidal nature of simpleharmonic motion
The spring mass systemoscillates in simpleharmonic motion
The attached pen tracesout the sinusoidal motion
1314
Motion as a function of time
Example: The motion of an object is describedby the following equation:
x = (0.30 m) cos ((πt)/ 3)
Find (a) the position of the object at t=0 andt=0.60 s,
(b) the amplitude of the motion,
(c) the frequency of the motion, and
(d) the period of the motion.
Motion of a Simple Pendulum
The simple pendulumis another example ofsimple harmonicmotion
The force is thecomponent of theweight tangent to thepath of motion
Ft = - m g sin θ
1315
Simple Pendulum, cont
In general, the motion of a pendulum is notsimple harmonic
However, for small angles, it becomes simpleharmonic
In general, angles < 15° are small enough
sin θ = θ
Ft = - m g θ
This force obeys Hooke’s Law
Period of Simple Pendulum
This shows that the period is independentof the amplitude
The period depends on the length of thependulum and the acceleration ofgravity at the location of the pendulum
Simple Pendulum Compared to a Spring-Mass System
1316
Physical Pendulum
A physical pendulumcan be made froman object of anyshape
The center of massoscillates along acircular arc
1317
Period of a Physical Pendulum
The period of a physical pendulum is given by
I is the object’s moment of inertia
m is the object’s mass
For a simple pendulum, I = mL2 and theequation becomes that of the simplependulum as seen before
Damped Oscillations
Only ideal systems oscillate indefinitely
In real systems, friction retards the motion
Friction reduces the total energy of thesystem and the oscillation is said to bedamped
Damped Oscillations, cont.
Damped motion variesdepending on thefluid used
With a low viscosityfluid, the vibratingmotion is preserved,but the amplitude ofvibration decreases intime and the motionultimately ceases
This is known asunderdampedoscillation
1319
More Types of Damping
With a higher viscosity, the object returnsrapidly to equilibrium after it is released anddoes not oscillate
The system is said to be critically damped
With an even higher viscosity, the piston returnsto equilibrium without passing through theequilibrium position, but the time required islonger
This is said to be over damped
Graphs of Damped Oscillators
Plot a shows anunderdampedoscillator
Plot b shows acritically dampedoscillator
Plot c shows anoverdampedoscillator
1320
Wave Motion
Oscillations cause waves
A wave is the motion of adisturbance
Mechanical waves require
Some source of disturbance
A medium that can be disturbed
Some physical connection betweenor mechanism though whichadjacent portions of the mediuminfluence each other
All waves carry energy andmomentum
Types of Waves – Traveling Waves
Flip one end of along rope that isunder tension andfixed at one end
The pulse travels tothe right with adefinite speed
A disturbance of thistype is called atraveling wave
1321
Types of Waves – Transverse
In a transverse wave, each element that isdisturbed moves in a direction perpendicularto the wave motion
1323a
Types of Waves – Longitudinal
In a longitudinal wave, the elements of themedium undergo displacements parallel to themotion of the wave
A longitudinal wave is also called acompression wave
1323b
Waveform – A Picture of a Wave
The brown curve is a“snapshot” of the wave atsome instant in time
The blue curve is later intime
The high points are crestsof the wave
The low points are troughsof the wave
1324
Longitudinal Wave Represented as a Sine Curve
A longitudinal wave can also be represented as a sinecurve
Compressions correspond to crests and stretchescorrespond to troughs
Also called density waves or pressure waves
1325
Description of a Wave
A steady stream ofpulses on a very longstring produces acontinuous wave
The blade oscillates insimple harmonic motion
Each small segment ofthe string, such as P,oscillates with simpleharmonic motion
1326a
Amplitude and Wavelength
Amplitude is themaximum displacementof string above theequilibrium position
Wavelength, λ, is thedistance between twosuccessive points thatbehave identically
1326b
Speed of a Wave
v = ƒ λ
Is derived from the basic speed equation ofdistance/time
This is a general equation that can beapplied to many types of waves
Speed of a wave
Example: A wavetraveling in thepositive x-directionhas a frequency of 25Hz as in the figure.Find the (a)amplitude,
(b) wavelength,
(c) period, and
(d) speed of thewave.
13P37
Speed of a Wave on a String
The speed on a wave stretched undersome tension, F
 is called the linear density
The speed depends only upon theproperties of the medium through whichthe disturbance travels
Interference of Waves
Two traveling waves can meet and passthrough each other without being destroyed oreven altered
Waves obey the Superposition Principle
If two or more traveling waves are moving through amedium, the resulting wave is found by addingtogether the displacements of the individual wavespoint by point
Actually only true for waves with small amplitudes
Constructive Interference
Two waves, a and b,have the samefrequency andamplitude
Are in phase
The combinedwave, c, has thesame frequency anda greater amplitude
1329
Constructive Interference in a String
Two pulses are traveling in opposite directions
The net displacement when they overlap is the sum ofthe displacements of the pulses
Note that the pulses are unchanged after theinterference
1332
Destructive Interference
Two waves, a and b,have the sameamplitude andfrequency
They are 180° out ofphase
When they combine,the waveforms cancel
1330
Destructive Interference in a String
Two pulses are traveling in opposite directions
The net displacement when they overlap is decreasedsince the displacements of the pulses subtract
Note that the pulses are unchanged after theinterference
1333
Reflection of Waves – Fixed End
Whenever a travelingwave reaches aboundary, some or all ofthe wave is reflected
When it is reflected from afixed end, the wave isinverted
The shape remains thesame
1334
Reflected Wave – Free End
When a traveling wave reaches a boundary,all or part of it is reflected
When reflected from a free end, the pulse isnot inverted
1335