Теория:
Колебательные движения широко распространены в окружающей нас жизни. Колебания совершают раскачивающиеся качели (рис. \(2\)), маятник часов (рис. \(3\)), игла швейной машины (рис. \(1\)), крылья насекомых при полёте (рис. \(4\)) и многих других тел.
Рис. \(1\). Колебания иглы швейной машинки
Рис. \(2\). Колебания качелей
Рис. \(3\). Колебания маятника часов
Рис. \(4\). Колебания крыльев стрекозы
Конечно, движения этих тел многим и отличаются. Так качели совершают движение по дуге окружности, а игла швейной машины — по прямой; у крыльев стрекозы меньший размах, чем у маятника часов. Комариные крылья совершают большое количество колебаний за то же время, за которое качели могут совершить всего одно.
Эти движения объединяет свойство колеблющегося объекта повторять траекторию движения и находиться в одних и тех же точках через равные промежутки времени.
Эти движения объединяет свойство колеблющегося объекта повторять траекторию движения и находиться в одних и тех же точках через равные промежутки времени.
На анимации шарик, подвешенный на нити, совершает колебания (рис. \(5\)). Через равные промежутки времени он возвращается в одни и те же точки траектории. Затем движение повторяется, т.е. оно является периодичным.
Рис. \(5\). Колебания математического маятника
Интервал времени, через который движение тела полностью повторяется, называют периодом.
За один период колеблющееся тело дважды проходит положение равновесия.
Механические колебания — повторяющееся механическое движение тела около положения равновесия.
Положение равновесия — состояние системы с минимальной энергией.
В положении равновесия система может находиться сколь угодно долго.
Чтобы колебательные движения начались, нужно вывести тело (систему) из положения равновесия, изменить энергетическое состояние, дать толчок, что приводит к сообщению телу некоторого запаса энергии. За счёт этой энергии и происходят колебания.
Пример:
чтобы заставить качели совершать колебательные движения, нужно сначала вывести их из положения равновесия, оттолкнувшись ногами, либо сделать это руками.
Пример:
примером свободных колебаний тела являются колебания груза, подвешенного на пружине. Первоначально выведенный из равновесия внешними силами груз в дальнейшем будет колебаться только за счёт внутренних сил системы «груз-пружина» — силы тяжести и силы упругости.
Условия возникновения свободных колебаний в системе:
а) система должна находиться в положении устойчивого равновесия: при отклонении системы от положения равновесия должна возникать сила, стремящаяся вернуть систему в положение равновесия — возвращающая сила;
б) наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с её энергией в положении равновесия;
в) избыточная энергия, полученная системой при смещении её из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоление сил трения при возвращении в положение равновесия, т. е. силы трения в системе должны быть достаточно малы.
б) наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с её энергией в положении равновесия;
в) избыточная энергия, полученная системой при смещении её из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоление сил трения при возвращении в положение равновесия, т. е. силы трения в системе должны быть достаточно малы.
Физическая система — множество взаимосвязанных элементов, отделённых от окружающей среды, взаимодействующих с ней как целое.
Примеры физических систем:
- атом состоит из протонов, нейтронов и электронов;
- математический маятник состоит из подвеса и тела, имеющего массу;
- твёрдое тело состоит из молекул или атомов.
Колебательная система — физическая система, в которой могут существовать свободные колебания.
Колебательные движения основаны на действии возвращающей силы, которая является суммой остальных сил (например, сил тяжести и упругости, действующих на математический маятник).
Шарик на нити является колебательной системой, так же как и маятник.
Маятник — твёрдое тело, совершающее колебания под действием приложенных сил около положения равновесия.
Пример:
груз, подвешенный на пружине и совершающий колебательные движения по вертикали под действием сил упругости, называется пружинным маятником (рис. \(6\)).
Рис. \(6\). Колебания пружинного маятника
Источники:
Рис. 1. Колебания иглы швейной машинки.
Рис. 2. Колебания качелей.
Рис. 3. Колебания маятника час.
Рис. 2. Колебания качелей.
Рис. 3. Колебания маятника час.
Рис. 4. Колебания крыльев стрекозы.
Рис. 5. Колебания математического маятника.
Рис. 6. Колебания пружинного маятника.
Рис. 6. Колебания пружинного маятника.