Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием.
Свободные незатухающие колебания
Примеры незатухающих колебаний в реальной жизни Незатухающие колебания встречаются во множестве различных систем и ситуаций в реальной жизни. Примеры автоколебаний Незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; Колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка. Еще одним примером незатухающих колебаний является колебания вокруг равновесного положения пружины. Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах.
Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см. Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:.
Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:. Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент.
Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения.
Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически? Это можно сделать двумя способами.
Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его. Вспомните, например, как вы раскачиваете качели: либо толкнуть их, либо вывести их из положения равновесия и отпустить.
Естественно, можно вывести их из положения равновесия и сообщить некий импульс. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания Свободные колебания могут совершаться за счет первоначального запаса энергии. Вернемся к предыдущим рассуждениям: в первом примере, который мы приводили, это была первоначальная энергия грузика, мы выводили его из положения равновесия, а потом отпускали.
А во втором случае этот первоначальный запас энергии — это кинетическая энергия в случае, когда мы толкали грузик. Согласно закону сохранения энергии в обоих случаях сумма кинетической и потенциальной энергий маятника должна оставаться неизменной с течением времени. То есть, какое бы промежуточное значение маятника мы бы ни рассмотрели, в любой из них эта сумма равна начальной энергии маятника см. Иллюстрация закона сохранения энергии Однако на самом деле мы понимаем, что маятников, которые могли бы совершать колебания довольно долго, не существует — это какая-то абстракция.
Скоростью затухания колебаний принято называть величину, которая прямо пропорциональна силе затухания колебаний. Период затухающих колебаний — это минимальный промежуток времени, за который система проходит дважды положение равновесия в одном направлении. Амплитуда затухающих колебаний при небольших затуханиях — это наибольшее отклонение от положения равновесия за период. Амплитуда затухающих колебаний постоянно изменяется со временем.
Пружинный маятник - материальная точка массой m, подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы. Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника.
Однако из-за сил трения свободные колебания в определенный момент затухают, поэтому по прошествии времени в системе сохраняются лишь стационарные колебания с той частотой, которая соответствует внешней вынуждающей силе. Пример 1 Разберем пример. У нас есть тело на пружине, совершающее вынужденные колебания см. Приложим внешнюю силу, обозначенную F.
Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
Как же разомкнуть систему? Вспомним простой пример из жизни: катание на качелях. Для того чтобы качели колебались без остановки, человек периодически толкает их, а если перевести это на язык физики, то человек действует на качели с силой, величина которой зависит от времени периодическим образом. Если построить график зависимости модуля силы от времени, то получим следующий результат: сила зависит от времени периодически см. Зависимость силы от времени Мы прекрасно понимаем, что если мы будем воздействовать на качели постоянно, то они не будут колебаться. Колебания системы, совершающие ею под действием внешней периодической силы, называются вынужденными. Силу, являющейся мерой этого внешнего воздействия, называют вынуждающей. При этом, как вы понимаете, мы уже не можем считать систему замкнутой, то есть в системе уже не совершаются свободные колебания — в системе совершаются вынужденные колебания.
Примерами систем, в которых совершаются вынужденные колебания, могут быть также в полнее привычные вам часы — это могут быть настенные маятниковые часы, а могут быть и обычные пружинные механические часы. В каждом таком случае колебания совершаются за счет подвода энергии извне. Вынужденные колебания Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. О них подробнее мы говорили на предыдущих занятиях. Давайте поговорим о некоторых характерных особенностях затухающих колебаний и вынужденных колебаний. Начнем с затухающих колебаний. Как вы уже знаете, любая реальная колебательная система — затухающая, ведь нам всегда приходится преодолевать силу трения или силу сопротивления.
Если мы говорим об электромагнитных колебаниях, то там тоже есть факторы, вызывающие их затухания, — это сопротивление проводников. Итак, как же выглядят затухающие колебания? Если вывести маятник из положения равновесия, то со временем его колебания затухают, здесь два основных фактора: сопротивление воздуха, а также трение в подвесе. Здесь речь идет об амплитуде колебаний, то есть максимальном отклонении от положения равновесия. Со временем амплитуда становится все меньше, меньше и меньше — именно этот факт отображен на рисунке см. Уменьшение амплитуды колебаний Обратите внимание: колебания все равно остаются периодическими, но амплитуда непрерывно уменьшается — колебания затухают. Хорошо это или плохо — смотря для чего.
Если речь идет о часах, то плохо, поскольку хотелось бы, чтоб затухание было как можно меньше, а колебания — больше, чтобы нам не доводилось подводить дополнительную энергию. Но есть и обратная сторона: если распахнуть двери и бросить их, то нам будет хотеться, чтобы они колебались как можно меньше. Для этого на двери ставят демпферы — гасители колебаний. Теперь переходим к вынужденным колебаниям. Представим себе, что мы раскачиваем брата или сестру на качелях: если мы толкнем качели один раз, то они рано или поздно остановятся. Поэтому мы продолжаем раскачивать качели, и тем самым колебания из свободных становятся вынужденными, потому что появляется некая внешняя сила. Какой же характеристикой должна обладать эта внешняя сила?
В новых обозначениях дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид:. Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка. Уравнение затухающих колебаний есть решение такого дифференциального уравнения:. В приложении 1 показано получение решения дифференциального уравнения затухающих колебаний методом замены переменных.
Частота затухающих колебаний: физический смысл имеет только вещественный корень, поэтому. Период затухающих колебаний:. Смысл, который вкладывался в понятие периода для незатухающих колебаний, не подходит для затухающих колебаний, так как колебательная система никогда не возвращается в исходное состояние из-за потерь колебательной энергии. При наличии трения колебания идут медленнее:.
Периодом затухающих колебаний называется минимальный промежуток времени, за который система проходит дважды положение равновесия в одном направлении. Для механической системы пружинного маятника имеем: , , для пружинного маятника. Поэтому определение для амплитуды, данное ранее для незатухающих свободных колебаний, для затухающих колебаний надо изменить.
Фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри. Выход фазовой траектории на предельный цикл, соответствующий установившимся автоколебаниям Напротив, если начальное отклонение превышает значение установившейся амплитуды, фазовая траектория приближается к предельному циклу извне рис. Электромагнитные автоколебания. Действие генератора незатухающих электромагнитных колебаний аналогично рассмотренному механическому примеру автоколебательной системы. Схема такого генератора на транзисторе с колебательным контуром в цепи коллектора показана на рис.
Роль заводной пружины, пополняющей энергию колебаний, играет постоянный источник энергии — батарея. Колебательный контур управляет этим источником через цепь обратной связи, содержащую индуктивно связанную с ним катушку включенную в цепь эмиттера. Транзистор здесь играет роль вентиля, открывающего доступ энергии батареи в колебательный контур. Управление этим вентилем осуществляется подаваемым с катушки напряжением к переходу эмиттер—база. Благодаря этому отпирание транзистора происходит в нужные моменты времени, чтобы импульс тока от батареи пополнял энергию колебаний, компенсируя потери на сопротивлении катушки и проводов. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний на транзисторе Параметрический резонанс. Еще один способ возбуждения незатухающих колебаний, как отмечалось в начале этого параграфа, заключается в периодическом изменении какого-либо параметра колебательной системы. Пусть в колебательном контуре конденсатор устроен так, что можно изменять его емкость, например сближая или раздвигая пластины, и пусть в контуре уже существуют колебания небольшой амплитуды.
В тот момент, когда заряд на пластинах конденсатора максимален, раздвинем мгновенно пластины, немного уменьшив тем самым его емкость. При этом придется совершить некоторую работу, которая пойдет на увеличение электростатической энергии. В момент, когда ток в контуре максимален, а конденсатор полностью разряжен, сблизим пластины до прежнего расстояния. При этом никакой работы не совершается, и электромагнитная энергия контура остается прежней. Еще через четверть периода колебаний, когда заряд снова достигнет максимального значения в противоположной полярности , опять раздвинем пластины, добавив тем самым еще порцию энергии, и т. Таким образом, периодически изменяя емкость конденсатора в нужные моменты времени, можно добиться раскачки электромагнитных колебаний, если добавляемая за период энергия превосходит потери в контуре за то же время. Такой способ возбуждения колебательной системы называется параметрическим возбуждением контура или параметрическим резонансом. В отличие от вынужденных колебаний под действием периодической вынуждающей силы, когда резонанс происходит при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой, параметрический резонанс возможен при частоте изменения параметра, вдвое превышающей собственную: Параметрическая раскачка колебаний может также происходить, когда параметр изменяется не только дважды за период собственных колебаний, но и когда он изменяется один раз за период, два раза за три периода, один раз за два периода, и т.
Порог параметрического резонанса.
Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Они актуальны для упрощения решения практических задач: где не требуется высокая точность; поставленных с целью обучения школьников решать их; в системах, которые совершают много циклов до заметного снижения амплитуды. Незатухающие колебания превращается в затухающие, когда возникает потеря энергии. График затухающих колебаний выглядит следующим образом. Амплитуда и частота значит и периодичность синусоиды снижаются.
Явление резонанса
Уравнение незатухающих колебаний Незатухающие колебания являются одним из видов колебаний, при которых отсутствует потеря энергии со временем. Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами. Приведи пример вариантов незатухающих колебаний Просмотров 43 Незатухающие колебания — это физический процесс, при котором система продолжает колебаться без потери энергии.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Примером незатухающих колебаний может быть колебания маятника или электрическое колебание в резонансном контуре. ударь по своему стоячему члену, вот пример колебаний которые затухают. Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение.
Механические колебания
- Понятие резонанса
- Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
- 3.1. Механические затухающие колебания
- Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
- Ликбез: почему периодические колебания затухают
Гармонические колебания и их характеристики.
Еще одним примером незатухающих колебаний является колебания вокруг равновесного положения пружины. Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники.
Ликбез: почему периодические колебания затухают
Скоростью затухания колебаний принято называть величину, которая прямо пропорциональна силе затухания колебаний. Период затухающих колебаний — это минимальный промежуток времени, за который система проходит дважды положение равновесия в одном направлении. Амплитуда затухающих колебаний при небольших затуханиях — это наибольшее отклонение от положения равновесия за период. Амплитуда затухающих колебаний постоянно изменяется со временем.
Когда маятник отклоняется от своего равновесного положения и отпускается, он начинает колебаться вокруг этого положения. В идеальных условиях, без учета сопротивления воздуха и трений, колебания маятника будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является колебательный контур.
Колебательный контур состоит из индуктивности, емкости и сопротивления. Когда энергия подается в такой контур, например, при подключении источника переменного тока, происходят колебания заряда и тока в контуре. В идеальном случае, без учета потери энергии на сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы. Такая система может представлять собой маятник, пружинный маятник или массу на наклонной плоскости.
Цепь замыкается и далее всё повторяется. Электромеханические автоколебательные системы, подобные рассмотренным в технике применяются очень широко.
Но есть и чисто механические колебательные устройства, например маятниковые часы. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2. Колесо с косыми зубьями 1 жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2. К маятнику 3 приделана перекладина 4 анкер , на концах которой укреплены пластинки 5, изогнутые по окружности с центром на оси маятника 6. Анкер даёт возможность ходовому колесу повернуться только на один зуб за каждые половины периода маятника. Пока зуб ходового колеса соприкасается с изогнутой поверхностью левой или правой пластинки 5, маятник не получает толчка, а лишь слегка тормозится из-за трения. Но в те моменты, когда зуб ходового колеса "чиркает" по торцу пластинки 5, маятник получает толчок в направлении своего движения.
Таким образом, маятник совершает незатухающие колебания, так как он сам в определённых положениях даёт возможность ходовому колесу подтолкнуть себя в нужном направлении. Эти толчки и восполняют расход энергии на трение. Период колебаний почти совпадает с периодом собственных колебаний маятника, то есть зависит от его длины. Итак, при автоколебаниях система сама управляет действующей на неё силой и сама регулирует поступление энергии для создания незатухающих колебаний. Характерная черта автоколебаний состоит в том, что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальным отклонением или толчком, как у свободных колебаний.
Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться. Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Они актуальны для упрощения решения практических задач: где не требуется высокая точность; поставленных с целью обучения школьников решать их; в системах, которые совершают много циклов до заметного снижения амплитуды.
Незатухающие колебания превращается в затухающие, когда возникает потеря энергии. График затухающих колебаний выглядит следующим образом.
Явление резонанса
| 2.5. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания | Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. |
| Свободные незатухающие колебания | Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания — это колебания системы, которые продолжаются вечно без потери энергии. |
| Механика - Затухающие и незатухающие колебания. Неинерциальные системы отсчета - YouTube | Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах. |
| Механические колебания • СПАДИЛО | Колебания бывают незатухающими и затухающими. |
Незатухающие колебания. Автоколебания
Устойчивость автоколебаний. Режим установившихся автоколебаний характеризуется устойчивостью. При любых отклонениях амплитуды как под действием случайных, так и преднамеренных причин реакция системы такова, что амплитуда возвращается к своему установившемуся значению. Подтолкнем маятник настенных часов, чтобы размах его колебаний стал больше. Вы увидите, что буквально через несколько колебаний амплитуда станет такой же, как и прежде. Устойчивость режима установившихся автоколебаний легко понять из энергетических соображений, учитывая, что должен обеспечиваться баланс поступающей от пружины и рассеиваемой энергии за период колебаний. Если амплитуда колебаний вдруг станет больше, то возрастут и потери энергии за период, превысив поступление энергии. И наоборот, уменьшение амплитуды от установившегося значения приводит к превышению поступающей энергии над потерями на трение. Амплитуда начнет увеличиваться.
Предельный цикл. Устойчивость установившихся автоколебаний можно понять, рассматривая процесс выхода системы на предельный цикл, которому соответствует замкнутая фазовая траектория на рис. Если, например, отклонить осциллятор автоколебательной системы на небольшой угол и отпустить без начального толчка, выход фазовой траектории на предельный цикл будет происходить так, как показано на рис. Фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри. Выход фазовой траектории на предельный цикл, соответствующий установившимся автоколебаниям Напротив, если начальное отклонение превышает значение установившейся амплитуды, фазовая траектория приближается к предельному циклу извне рис. Электромагнитные автоколебания. Действие генератора незатухающих электромагнитных колебаний аналогично рассмотренному механическому примеру автоколебательной системы. Схема такого генератора на транзисторе с колебательным контуром в цепи коллектора показана на рис.
Роль заводной пружины, пополняющей энергию колебаний, играет постоянный источник энергии — батарея. Колебательный контур управляет этим источником через цепь обратной связи, содержащую индуктивно связанную с ним катушку включенную в цепь эмиттера. Транзистор здесь играет роль вентиля, открывающего доступ энергии батареи в колебательный контур. Управление этим вентилем осуществляется подаваемым с катушки напряжением к переходу эмиттер—база. Благодаря этому отпирание транзистора происходит в нужные моменты времени, чтобы импульс тока от батареи пополнял энергию колебаний, компенсируя потери на сопротивлении катушки и проводов.
Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.
Если в системе отсутствуют силы трения, колебания продолжаются бесконечно долго с постоянной амплитудой и называются собственными незатухающими колебаниями. Пружинный маятник - материальная точка массой m, подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы.
Однако, такие характеристики, как амплитуда и период, требуют переопределения, а другие — дополнения и уточнения по сравнению с такими же признаками для собственных незатухающих колебаний. Общие признаки и понятия затухающих колебаний следующие: Дифференциальное уравнение должно быть получено с учетом убывания в процессе колебаний колебательной энергии.
Уравнение колебаний — решение дифференциального уравнения. Амплитуда затухающих колебаний зависит от времени. Частота и период зависят от степени затухания колебаний. Фаза и начальная фаза имеют тот же смысл, что и для незатухающих колебаний.
Механические затухающие колебания Механическая система: пружинный маятник с учетом сил трения. Силы, действующие на маятник: Упругая сила. Сила сопротивления. Рассмотрим силу сопротивления, пропорциональную скорости v движения такая зависимость характерна для большого класса сил сопротивления :.
Знак "минус" показывает, что направление силы сопротивления противоположно направлению скорости движения тела.
Бесконечно длиться такой процесс не может из-за сопротивления — сил трения и прочих явлений, тормозящих движение, препятствующих ему. Вот почему свободные колебания являются затухающими. Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля. Затраты имеют различный характер, зависящий от условий: преодоление сопротивления воздуха жидкости качающимся на пружине грузом, трение шариков в подшипнике о внутреннее и внешнее кольца. Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться. Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают в осцилляторе под действием внешней периодической силы. Пример - действие переменного тока на якорь в звонке. Практическое применение незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры. Радиотехника В радиопередатчиках незатухающие электромагнитные колебания генерируются с помощью электронных генераторов. Они используются для модуляции и передачи радиосигналов. Генераторы колебаний Существуют ламповые, транзисторные, кварцевые и другие типы генераторов для создания высокостабильных колебаний в радиотехнике. Передатчики В передатчиках колебания генератора модулируются информационным сигналом и излучаются антенной в виде радиоволн. Метрология Высокостабильные незатухающие колебания используются в квантовых эталонах частоты и времени.
Квантовые стандарты частоты В качестве эталонов применяются атомные часы на основе квантовых переходов в атомах. Эталоны времени Сверхстабильные генераторы с кварцевым резонатором обеспечивают точность хода эталонных часов. Медицина Незатухающие электрические колебания применяются в электрокардиографии для диагностики сердечной деятельности. Исследования незатухающих колебаний Изучение незатухающих колебаний имеет давнюю историю и продолжается по сей день. В XIX веке Максвелл разработал теорию электромагнитных колебаний. Галилей, Гюйгенс, Ньютон заложили основы исследования механических колебаний. Максвелл, Герц экспериментально обнаружили и описали электромагнитные волны. В настоящее время ведутся работы по созданию сверхстабильных эталонов частоты, по применению незатухающих колебаний в нанотехнологиях.
Разрабатываются оптические эталоны частоты на основе лазеров и атомных переходов. Изучаются колебания наномеханических резонаторов, применение их в сенсорике. Дальнейшие исследования незатухающих колебаний позволят расширить возможности науки и техники. Колебания в окружающем мире Незатухающие колебания широко распространены в природе, быту, технике. Давайте рассмотрим некоторые примеры: Колебания в живой природе.
Чем они отличаются друг от друга? Какие элементы должна обязательно содержать автоколебательная система? Каковы их функции? Что такое обратная связь? От чего зависит их частота и амплитуда?
Докажите, что при любых начальных условиях в рассмотренной механической модели автоколебательной системы фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри или извне, нигде его не пересекая. Что будет, если переключить поменять местами концы одной из этих катушек? Релаксационные колебания. Во всех упоминавшихся выше примерах автоколебательных систем обязательным элементом являлся резонатор. Другими словами, в отсутствие обратной связи в этих системах возможны собственные затухающие колебания. При наличии обратной связи в них устанавливаются самоподдерживающиеся почти синусоидальные колебания. Частота таких колебаний задается резонатором. Но автоколебания могут происходить и в системах, не содержащих резонатора. Колебания при этом, как правило, не являются гармоническими. Типичный пример релаксационных колебаний Типичными примерами таких систем могут служить генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе и гидравлическое устройство, показанное на рис.
В сосуд, снабженный сифоном С, с постоянной скоростью натекает вода из крана К. Пока сифон не заполнен водой, уровень воды в сосуде растет со временем по линейному закону. Но как только уровень достигает высоты сифон срабатывает и уровень воды в сосуде падает до значения после чего сосуд снова начинает заполняться водой из крана. Скорость опорожнения сосуда через сифон можно сделать гораздо больше скорости его наполнения через кран так как скорость воды в сифоне зависит от разности уровней Далее описанный процесс будет повторяться периодически. Зависимости уровня воды А и скорости его изменения от времени показаны в правой части рис. Видно, что колебания уровня воды и скорости не являются синусоидальными. Соответствующая этим колебаниям фазовая диаграмма приведена на рис.
Давайте рассмотрим превращение колебаний на примере математического маятника, но расчеты будем вести для пружинного маятника — в данном случае это проще. Итак, как же происходит превращение энергии при колебаниях маятника? В верхней точке максимальна потенциальная энергия, а кинетическая равна 0 см. Верхняя точка математического маятника Когда отпустим маятник, он начнет колебаться. Рассмотрим маятник, когда он проходит положение равновесия: здесь кинетическая максимальная, а потенциальная 0. Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см. Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:. Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:. Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент. Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения. Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически? Это можно сделать двумя способами. Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его. Вспомните, например, как вы раскачиваете качели: либо толкнуть их, либо вывести их из положения равновесия и отпустить. Естественно, можно вывести их из положения равновесия и сообщить некий импульс. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания Свободные колебания могут совершаться за счет первоначального запаса энергии.
Электромеханические автоколебательные системы применяются в технике очень широко, но не менее распространенными и важными являются и чисто механические автоколебательные устройства. Достаточно указать на любой часовой механизм. Незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживаются за счет потенциальной энергии поднятой гири или за счет упругой энергии заведенной пружины. На этом рисунке изображен так называемый анкерный ход. Колесо с косыми зубьями 1 ходовое колесо жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2. К маятнику 3 приделана перекладина 4 анкер , на концах которой укреплены палетты 5 — пластинки, изогнутые по окружности с центром на оси маятника 6. Анкер не позволяет ходовому колесу свободно вращаться, а дает ему возможность провернуться только на один зуб за каждые полпериода маятника. Но и ходовое колесо действует при этом на маятник, а именно, пока зуб ходового колеса соприкасается с изогнутой поверхностью левой или правой палетты, маятник не получает толчка и только слегка тормозится из-за трения. Но в те моменты, когда зуб ходового колеса «чиркает» по торцу палетты, маятник получает толчок в направлении своего движения. Таким образом, маятник совершает незатухающие колебания, потому что он сам в определенных своих положениях дает возможность ходовому колесу подтолкнуть себя в нужном направлении. Эти толчки и восполняют расход энергии на трение. Период колебаний и в этом случае почти совпадает с периодом собственных колебаний маятника, т. Схема часового механизма Автоколебаниями являются также колебания струны под действием смычка в отличие от свободных колебаний струны у рояля, арфы, гитары и других несмычковых струнных инструментов, возбуждаемых однократным толчком или рывком ; автоколебаниями являются звучание духовых музыкальных инструментов, движение поршня паровой машины и многие другие периодические процессы.