Колебания и маятник

Вспомните, с каким волнением мы глядим на стрелку часов, когда боимся, куда-нибудь опоздать. Иной раз одного взгляда на часы достаточно, чтобы успокоиться: «Нет, еще не поздно, успею».

Исправным часам мы верим всегда. Откуда такая уверенность, что часы не подведут?

Работа часов основывается на колебаниях маятника

Рис. 1. Работа часов основывается на колебаниях маятника.

Все дело в маятнике. Главная деталь часов, кроме самых примитивных, — это маятник. Огромные башенные часы, ходики, будильники, все типы ручных и карманных часов имеют маятник.

А движение маятников подчиняется одним и тем же неизменным физическим законам. Мы доверяем часам потому, что движением стрелок заведует маятник. Простейший маятник - это шарик, подвешенный на нити.

Если отвести шарик в сторону и отпустить его, то под действием своей тяжести он начнет падать. Но нить держит шарик все время на одном и том же расстоянии, и он вынужден скользить вниз по дуге окружности.

Опускаясь, шарик будет ускорять свое движение. И в тот момент, когда шарик окажется в самом нижнем положении, он будет двигаться с наибольшей скоростью.

Казалось бы, здесь шарик должен остановиться, так как вся так называемая потенциальная энергия его, запасенная при подъеме, теперь израсходовалась. Но на самом деле шарик не останавливается, он по инерции поднимается кверху.

Однако при подъеме его движение замедляется. Наконец, потеряв скорость и заняв самое высокое положение, шарик на мгновение останавливается.

Он полностью израсходовал энергию движения и дальше подниматься не может. Но эта энергия не пропала бесследно, она приняла другой вид. Теперь шарик обладает запасом скрытой энергии, которая снова готова превратиться в энергию движения.

И действительно, сделав мгновенную остановку, шарик пускается в обратный путь. Набрав скорость и проскочив самое низкое положение, он летит вверх и снова оказывается в том же месте, откуда началось его движение.

Маятник совершил одно полное колебание, однако движение на этом не закончится. Шарик ритмично будет качаться из стороны в сторону. Вследствие трения нити в точке подвеса и сопротивления воздуха часть энергии движения при каждом колебании переходит в тепло, которое рассеивается.

Колебания и маятник

Чем короче нить маятника, тем больше частота его колебаний

Поэтому размах колебаний будет становиться все меньше и меньше. Но хотя проходимый шариком из стороны в сторону путь с каждым колебанием уменьшается, время, за которое совершается одно колебание, меняться не будет.

Оказывается, при свободных колебаниях маятника любое колебание требует одного и того же по величине промежутка времени, называемого периодом собственных колебаний.

Период зависит не от амплитуды колебаний маятника, а от длины нити. Если шарик подвесить на длинную нить, колебания будут совершаться медленно, и период будет продолжительным.

Затухающие и незатухающие волны

Рис. 2. Затухающие и незатухающие волны.

При толчках, согласованных с движением маятника, можно получить незатухающие колебания; если маятник не подталкивать, колебания будут затухать.

Шарик на короткой нити будет качаться быстрее, и период колебаний будет короче. А чем короче период, тем больше колебаний произойдет за одно и то же время.

Число колебаний в секунду называется частотой. У одного и того же маятника частота всегда одна и та же. Благодаря этому свойству маятника число его колебаний и служит мерой времени.

Если маятник не подталкивать, он в конце концов израсходует первоначальный запас энергии на бесполезные потери и

остановится. Чтобы колебания не затухли, ему нужно периодически сообщать толчки. Каждый толчок — это маленькая порция энергии. Если толчки будут согласованы с движением маятника, а энергия их будет в точности восполнять расход энергии на бесполезные потери, размах маятника меняться не будет, амплитуда колебаний останется постоянной. Такие колебания называются незатухающими.

В часах колебания маятника поддерживаются за счет энергии заведенной пружины или опускающейся гири. Если мы забудем завести часы, пружина или гиря в конце концов израсходует весь запах энергии, и часы остановятся.

Колебательные движения, подобные колебаниям маятника, встречаются на каждом шагу. Слетела птица с дерева, и ветка закачалась, как маятник. Раскачивается экипаж на рессорах, катясь по неровной дороге.

Дрожит струна, задетая рукой музыканта. Колеблются из стороны в сторону частицы воздуха, когда распространяется звуковая волна. Все эти движения немногим отличаются от колебаний маятника.

Даже невидимые колебания электрических зарядов в электрической цепи переменного тока имеют с ними очень большое сходство.

Источник: Ф. Честнов - "В мире радио", 1954г.

0
1158
Добавить комментарий