Теория:
Свободные (собственные) колебания — колебания под действием внутренних сил после выведения системы из состояния равновесия (груз на пружине, груз на нити).
В колебательную систему могут входить груз, пружина и вертикальная стойка, к которой прикреплён один из концов пружины (рис. \(1\)). Такая система называется горизонтальный пружинный маятник. В результате взаимодействия тел, составляющих пружинный маятник, возникает сила (сила упругости), возвращающая груз к положению равновесия.
Рис. \(1\). Движение горизонтального пружинного маятника
Колебательная система может состоять из шарика, нерастяжимой нити и Земли. Такую систему называют математическим маятником (рис. \(2\)). Рассматриваются свободные колебания тела (шарика) под воздействием силы тяготения Земли и силы натяжения нити. Результирующая сила всегда направлена к положению равновесия.
Рис. \(2\). Движение математического маятника
Системы тел, которые способны совершать свободные колебания, называются колебательными системами.
Для существования свободных колебаний необходимо возникновение возвращающей силы, которая направлена к положению равновесия колебательной системы.
Существует несколько классификаций колебательных систем.
1) Классификация по сохранению полной энергии системы:
а) консервативные колебательные системы — системы, в которых запас механической или электромагнитной энергии, или той и другой в совокупности, в процессе совершения колебаний остаётся постоянным (например, математический маятник без затухания);
б) диссипативные колебательные системы — системы, в которых энергия упорядоченного движения (механическая, электромагнитная или другая) с течением времени убывает за счёт диссипации, то есть перехода в другие виды энергии, например в теплоту или излучение. В макромире все колебательные системы, не имеющие источника для пополнения внутренней энергии, являются диссипативными.
2) Классификация по типу колебательной системы:
а) механические колебательные системы;
б) электрические колебательные системы;
в) акустические колебательные системы;
г) оптические колебательные системы.
б) электрические колебательные системы;
в) акустические колебательные системы;
г) оптические колебательные системы.
Колебательные системы нашли широкое применение в науке и технике, в быту, а также в сфере развлечений.
Пример:
маятник Фуко просто и доступно объясняет тот факт, что Земля вращается вокруг своей оси, а плоскость качания маятника остаётся постоянной (рис. \(3\)).
Рис. \(3\). Маятник Фуко
Камертон (рис. \(4\)) применяется для точной настройки музыкальных инструментов.
Рис. \(4\). Камертон
Рессора — вид устройства (рис. \(5\)), упругий элемент подвески транспортного средства, который передаёт нагрузку с рамы или кузова на ходовую часть (колёса, опорные катки гусеницы и т. д.) и смягчает удары и толчки при прохождении по неровностям пути.
Рис. \(5\). Рессора транспортного средства
В быту практически все машины и механизмы являются колебательными системами. Существуют стиральные машины, которые при помощи ультразвуковых колебаний «стирают» грязное белье (рис. \(6\)).
Рис. \(6\). Ультразвуковая стиральная машина
И, наконец, качели — сооружение для качания как для забавы, или развлечения (рис. \(7\)), которые устанавливаются на детских площадках, местах отдыха и т. д.
Рис. \(7\). Движение качелей
Источники:
Рис. 1. Движение горизонтального пружинного маятника. © ЯКласс.
Рис. 2. Движение математического маятника. © ЯКласс.
Рис. 3. Маятник Фуко.
Рис. 3. Маятник Фуко.
Рис. 4. Камертон.
Рис. 5. Рессора транспортного средства.
Рис. 6. Ультразвуковая стиральная машина.
Рис. 7. Движение качелей.