Wahadło fizyczne to dowolna bryła sztywna, zawieszona w taki sposób, że oś obrotu znajduje się powyżej jej środka masy.
Na rysunku przedstawiono siły działające na wahadło fizyczne z położenia równowagi. Literą S oznaczono położenie środka masy bryły.
Moment sił, chcący przywrócić położenie równowagi jest równy:
gdzie: m – masa bryły, g – przyspieszenie ziemskie, r – odległość środka masy od osi obrotu.
Ponieważ dla małych kątów spełniony jest warunek sin =
oraz
= x/r, to moment sił można wyrazić następująco:
Zgodnie z zasadami dynamiki bryły sztywnej, moment siły jest równy:
gdzie: I – moment bezwładności względem osi wahań, ε – przyspieszenie kątowe.
Przyspieszenie kątowe jest równe , stąd łącząc ze sobą powyższe równania otrzymamy:
Przyspieszenie w ruchu drgającym jest równe a = -ω2x, więc:
Związek pomiędzy częstością kołową a okresem drgań jest następujący , więc: