Механічні коливання

Механічні коливання — це рухи тіла (або системи тіл), які відбуваються біля певного положення рівноваги та які точно або приблизно повторюються через рівні інтервали часу.

Коливальний рух, як і будь-який інший рух, характеризується такими фізичними величинами, як швидкість, прискорення, координата (зміщення).

Зміщення x — це відстань від положення рівноваги до точки, в якій у даний момент часу перебуває тіло, що коливається.

Систему тіл, що взаємодіють, в якій можуть виникати коливання, називають коливальною системою.

Коливання, які виникають у коливальній системі під впливом внутрішніх сил, називають вільними коливаннями.

Коливання, що виникають під впливом зовнішніх періодично змінних сил, називають вимушеними коливаннями.

Щоб у коливальній системі виникли вільні коливання, необхід­не виконання двох умов:

1) системі має бути передано надлишкову енергію;

2) втрати енергії в системі мають бути незначними, інакше коливання швидко затухнуть або навіть не виникнуть.

Якщо в коливальній системі немає жодних втрат енергії, то коливання триватимуть як завгодно довго — їхня амплітуда з часом не змінюватиметься. Такі коливання називають незатухаючими.

Вільні коливання завжди є затухаючими.

Існують коливальні системи, в яких незатухаючі коливання відбуваються внаслідок здатності системи самостійно регулювати надходження енергії від постійного джерела. Такі системи назива­ються автоколивальними, а процес незатухаючих коливань у таких системах — автоколиваннями.

Проміжок часу, через який повторюється коливання, називають періодом Т.

Кількість коливань, що здійснює система за одиницю часу, називають частотою v.

Пружинним маятником називають коливальну систему, що складається з тіла, закріпленого на пружині. Пружина може розташовуватися як вертикально так і горизонтально.

Математичним маятником називають коливальну систему, яка складається з матеріальної точки, що перебуває в полі земного тяжіння й підвішена на довгій невагомій і нерозтяжній нитці.

Період коливань математичного маятника в полі земного тяжіння визначається за формулою Гюйгенса. Якщо маятник набуває додаткового прискорення а, то період коливань математичного маятника визначатиметься з його урахуванням.

Період коливань пружинного маят­ника

Під час вільних коливань у коливальній системі відбувається періодичне перетворення потенціальної енергії в кінетичну і навпаки.

Гармонічними називають коливання, що відбуваються за законом косинуса або синуса.

Графіки гармонічних коливань, що відбуваються:

а) за законом косинуса;

б) синуса.

Явище значного збільшення амплітуди коливань системи, здатної здійснювати вільні коливання, за умови збігу часто­ти впливу зовнішньої періодичної сили з власною частотою коливальної системи, називають резонансом.

Вільні коливання з демпфуванням

Механізми розсіяння енергії в коливальних системах можуть бути різними і, відповідно, будуть різними і співвідношення, що визначають як функції параметрів системи. Найчастіше при моделюванні коливальних процесів використовують модель в'язкого опору, коли сила опору пропорційна швидкості руху і направлено протилежно швидкості.

В залежності від відносної величини демпфування в системі будуть реалізовуватися різні типи рухів.

Найпростіша модель системи з одним ступенем вільності.

Зміна амплітуди коливань маси в системі без демпфування в початкові моменти руху. Рух починається з положення рівноваги під дією періодичної сили постійної амплітуди. Частота зміни напрямку сили збігається з власною частотою системи.

Завдання для самостійного дослідження

Лабораторія маятників

Опис

Грайте з одним або двома маятниками і дізнайтеся, як період простого маятника залежить від довжини нитки, від маси маятника, від сили тяжіння та від амплітуди коливання. Спостерігайте за енергією в системі в режимі реального часу та змінюйте тертя. Виміряйте період, використовуючи секундомір або таймер періоду. Використовуйте маятник, щоб знайти значення g на Планеті X. Зверніть увагу на негармонічну поведінку при великій амплітуді.

Навчальні цілі

  • Створіть експеримент, щоб визначити, які змінні впливають на період маятника.

  • Кількісно опишіть, як період часу маятника залежить від цих змінних.

  • Поясніть малий кут наближення та визначте, що становить "маленький" кут

  • Визначте гравітаційне прискорення планети X

  • Поясніть збереження механічної енергії, використовуючи кінетичну енергію та потенціальну.

  • Опишіть Енергетичний графік для положення та швидкості маятника.