ОК-1 Механические колебания

Механические колебания - это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.

Вынужденные колебания - это колебания, которые происходят под действием внешней, периодически изменяющейся силы.

Свободные колебания - это колебания, которые возникают в системе под действием внутренних сил, после того как система была выведена из положения устойчивого равновесия.

Колебательные системы

Условия возникновения механических колебаний

1. Наличие положения устойчивого равновесия, при котором равнодействующая равна нулю.

2. Хотя бы одна сила должна зависеть от координат.

3. Наличие в колеблющейся материальной точке избыточной энергии.

4. Если вывести тело из положения равновесия, то равнодействующая не равна нулю.

5. Силы трения в системе малы.

Превращение энергии при колебательном движении

В неустойчивом равновесии имеем: E п →E к →E п →E к →E п.

За полное колебание
.

Выполняется закон сохранения энергии.

Параметры колебательного движения

1
. Смещениех - отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени.

2. Амплитудах 0 - наибольшее смещение от положения равновесия.

3. ПериодТ - время одного полного колебания. Выражается в секундах (с).

4. Частотаν - число полных колебаний за единицу времени. Выражается в герцах (Гц).

,
;
.

Свободные колебания математического маятника

Математический маятник – модель – материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити.

Запись движения колеблющейся точки как функции времени.

В
ыведем маятник из положения равновесия. Равнодействующая (тангенциальная)F т = –mg sinα , т. е.F т – проекция силы тяжести на касательную к траектории тела. Согласно второму закону динамикиma т =F т. Так как уголα очень мал, тоma т = –mg sinα .

Отсюда a т =g sinα ,sinα =α =s /L ,

.

Следовательно, a ~s в сторону равновесия.

Ускорение а материальной точки математического маятника пропорционально смещению s .

Таким образом, уравнение движения пружинного и математического маятников имеют одинаковый вид: а ~ х .

Период колебания

Пружинный маятник

Предположим, что собственная частота колебаний тела, прикрепленного к пружине,
.

Период свободных колебаний
.

Циклическая частота ω = 2πν .

Следовательно,
.

Получаем , откуда
.

Математический маятник

С
обственная частота математического маятника
.

Циклическая частота
,
.

Следовательно,
.

Законы колебаний математического маятника

1. При небольшой амплитуде колебаний период колебания не зависит от массы маятника и амплитуды колебаний.

2. Период колебания прямо пропорционален корню квадратному из длины маятника и обратно пропорционален корню квадратному из ускорения свободного падения.

Гармонические колебания

П
ростейший вид периодических колебаний, при которых периодические изменения во времени физических величин происходят по закону синуса или косинуса, называют гармоническими колебаниями:

x =x 0 sinωt илиx =x 0 cos(ωt + φ 0),

где х - смещение в любой момент времени;х 0 - амплитуда колебаний;

ωt + φ 0 - фаза колебаний;φ 0 - начальная фаза.

Уравнение x =x 0 cos(ωt + φ 0), описывающее гармонические колебания, является решением дифференциального уравненияx " +ω 2 x = 0.

Дважды продифференцировав это уравнение, получим:

x " = −ω 0 sin(ωt + φ 0),x " = −ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0),ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0) −ω 2 x 0 cos(ωt + φ 0).

Если какой-либо процесс можно описать уравнением x " +ω 2 x = 0, то совершается гармоническое колебание с циклической частотойω и периодом
.

Таким образом, при гармонических колебаниях скорость и ускорение также изменяются по закону синуса или косинуса .

Так, для скорости v x =x " = (x 0 cosωt )" =x 0 (cosωt )" , т.е.v= −ωx 0 sinωt ,

или v=ωx 0 cos(ωt +π /2) =v 0 cos(ωt +π /2), гдеv 0 =x 0 ω - амплитудное значение скорости. Ускорение изменяется по закону:a x =v" x =x " = −(ωx 0 sinωt )" = −ωx 0 (sinωt )" ,

т.е. a = −ω 2 x 0 cosωt =ω 2 x 0 cos(ωt +π ) =α 0 cos(ωt +π ), гдеα 0 =ω 2 x 0: - амплитудное значение ускорения.

Преобразование энергии при гармонических колебаниях

Если колебания тела происходят по закону x 0 sin(ωt + φ 0), токинетическая энергия тела равна :

.

Потенциальная энергия тела равна :
.

Так как k =mω 2 , то
.

За нулевой уровень отсчета потенциальной энергии выбирается положение равновесия тела (х = 0).

Полная механическая энергия системы равна:
.

ОК-3 Кинематика гармонических колебаний

Фаза колебаний φ - физическая величина, которая стоит под знакомsinилиcosи определяет состояние системы в любой момент времени согласно уравнениюх =x 0 cosφ .

Смещение х тела в любой момент времени

x
=x 0 cos(ωt + φ 0), гдеx 0 - амплитуда;φ 0 - начальная фаза колебаний в начальный момент времени (t = 0), определяет положение колеблющейся точки в начальный момент времени.

Скорость и ускорение при гармонических колебаниях

Е
сли тело совершает гармонические колебания по законуx =x 0 cosωt вдоль осиОх , то скорость движения телаv x определяется выражением
.

Более строго, скорость движения тела - производная координаты х по времениt :

v
x =x " (t ) = −xω sinω =x 0 ω 0 ω cos(ωt +π /2).

Проекция ускорения: a x =v" x (t ) = −x 0 ω cosωt =x 0 ω 2 cos(ωt +π ),

v max =ωx 0 ,a max =ω 2 x .

Если φ 0 x = 0, тоφ 0 v =π /2,φ 0 a =π .

Резонанс

Р

Возрастание x 0 при резонансе тем больше, чем меньше трение в системе. Кривые1 ,2 ,3 соответствуют слабому, сильному критическому затуханию:F тр3 >F тр2 >F тр1 .

При малом трении резонанс острый, при большом трении тупой. Амплитуда при резонансе равна:
, гдеF max - амплитудное значение внешней силы;μ - коэффициент трения.

Использование резонанса

Раскачивание качелей.

Машины для утрамбовки бетона.

Частотомеры.

Борьба с резонансом

Уменьшить резонанс можно, увеличив силу трения или

На мостах поезда движутся с определенной скоростью.

Выясним, при соблюдении каких условий возникает и поддерживается в течение некоторого времени колебательное движение.

Первым условием , необходимым для возникновения колебаний, является наличие у материальной точки избыточной энергии (кинетической или потенциальной) по сравнению с ее энергией в положении устойчивого равновесия.

Второе условие можно установить, проследив за движением груза 3 на рис. 24.1. В положении б на груз 3 действует сила упругости F 1 , направленная к положению равновесия груза. Под действием этой силы груз смещается к положению равновесия с постепенно возрастающей скоростью движения υ, а сила F 1 уменьшается и исчезает, когда груз попадает в это положение (рис. 24.1, в). Скорость груза в этот момент максимальна по величине, и груз, проскакивая через положение равновесия, продолжает двигаться вправо. При этом возникает сила упругости F 2 , которая тормозит движение груза 3 и останавливает его (рис. 24.1, г). Сила F 2 в этом положении имеет максимальную величину; под действием этой силы груз 3 начинает двигаться влево. В положении равновесия (рис. 24.1, д) сила F 2 исчезает, а скорость груза достигает наибольшего значения, поэтому груз продолжает двигаться влево, пока не займет положение б на рис. 24.1. Далее весь описанный процесс повторяется снова в том же порядке.

Таким образом, колебания груза 3 происходят вследствие действия силы F и наличия у груза инерции. Силу, приложенную к материальной точке, всегда направленную к положению устойчивого равновесия точки, называют возвращающей силой . В положении устойчивого равновесия возвращающая сила равна нулю и возрастает по мере удаления точки от этого положения.

Итак, вторым условием , необходимым для возникновения и продолжения колебаний материальной точки, является действие на материальную точку возвращающей силы. Напомним, что эта сила всегда возникает, когда какое-либо тело выводится из положения устойчивого равновесия.

В идеальном случае, при отсутствии трения и сопротивления среды, полная механическая энергия колеблющейся точки остается постоянной, так как в процессе таких колебаний происходит лишь переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. Такое колебание должно продолжаться неопределенно долгое время. Если колебания материальной точки происходят при наличии трения и сопротивления среды, то полная механическая энергия материальной точки постепенно убывает, размах колебаний уменьшается и через некоторое время точка останавливается в положении устойчивого равновесия.

Бывают случаи, когда потери энергии материальной точкой настолько велики, что если внешняя сила отклоняет эту точку из положения равновесия, то она теряет всю свою избыточную энергию при возвращении в положение равновесия. В этом случае колебаний не получится. Итак, третье условие , необходимое для возникновения и продолжения колебаний, следующее: избыточная энергия, полученная материальной точкой при смещении из положения устойчивого равновесия, не должна полностью расходоваться на преодоление сопротивления при возвращении в это положение.

Одна из наиболее интересных тем в физике - колебания. Изучение механики тесно связано именно с ними, с тем, как ведут себя тела, на которые воздействуют те или иные силы. Так, изучая колебания, мы можем наблюдать за маятниками, видеть зависимость амплитуды колебания от длины нити, на которой висит тело, от жесткости пружины, веса груза. Несмотря на кажущуюся простоту, данная тема далеко не всем дается так легко, как хотелось бы. Поэтому мы решили собрать наиболее известные сведения о колебаниях, их видах и свойствах, и составить для вас краткий конспект по данной теме. Возможно, он будет вам полезен.

Определение понятия

Прежде чем говорить о таких понятиях, как механические, электромагнитные, свободные, вынужденные колебания, об их природе, характеристиках и видах, условиях возникновения, следует дать определение данному понятию. Так, в физике колебанием называют постоянно повторяющийся процесс изменения состояния вокруг одной точки пространства. Наиболее простой пример - маятник. Каждый раз при колебании он отклоняется от некой вертикальной точки сначала в одну, затем в другую сторону. Занимается изучением явления теория колебаний и волн.

Причины и условия возникновения

Как и любое другое явление, колебания возникают только в том случае, если выполнены определенные условия. Механические вынужденные колебания, как и свободные, возникают при выполнении таких условий, как:

1. Наличие силы, выводящей тело из состояния устойчивого равновесия. К примеру, толчка математического маятника, при котором начинается движение.

2. Наличие минимальной силы трения в системе. Как известно, трение замедляет те или иные физические процессы. Чем больше сила трения, тем меньше вероятность возникновения колебаний.

3. Одна из сил должна зависеть от координат. То есть тело изменяет свое положение в определенной системе координат относительно определенной точки.

Виды колебаний

Разобравшись с тем, что такое колебание, разберем их классификацию. Есть две наиболее известные классификации - по физической природе и по характеру взаимодействия с окружающей средой. Так, по первому признаку выделяют механические и электромагнитные, а по второму - свободные и вынужденные колебания. Выделяют также автоколебания, затухающие колебания. Но мы с вами поговорим лишь о первых четырех видах. Давайте разберем подробнее каждый из них, выясним их особенности, а также дадим весьма краткое описание их основных характеристик.

Механические

Именно с механических начинается изучение колебаний в школьном курсе физики. Свое знакомство с ними ученики начинают в таком разделе физики, как механика. Отметим, что данные физические процессы протекают в окружающей среде, и мы можем наблюдать за ними невооруженным глазом. При таких колебаниях тело неоднократно совершает одно и то же движение, проходя определенное положение в пространстве. Примеры таких колебаний - те же маятники, вибрация камертона или гитарной струны, движение листьев и веток на дереве, качелей.

Электромагнитные

После того как прочно усвоено такое понятие, как механические колебания, начинается изучение электромагнитных колебаний, более сложных по своей структуре, так как данный вид протекает в различных электрических цепях. При этом процессе наблюдаются колебания в электрических, а также магнитных полях. Несмотря на то что электромагнитные колебания имеют несколько иную природу возникновения, законы для них такие же, как и для механических. При электромагнитных колебаниях может меняться не только напряжённость электромагнитного поля, но и такие характеристики, как сила заряда и тока. Важно также отметить, что существуют свободные и вынужденные электромагнитные колебания.

Свободные колебания

Данный вид колебаний возникает под воздействием внутренних сил тогда, когда система выводится из состояния устойчивого равновесия или покоя. Свободные колебания всегда являются затухающими, а значит, их амплитуда и частота со временем уменьшаются. Ярким примером подобного вида раскачиваний служит движение груза, подвешенного на нить и колеблющегося из одной стороны в другую; груза, прикрепленного к пружине, то опускающегося вниз под действием тяжести, то поднимающегося вверх под действием пружины. Кстати, именно такого рода колебаниям уделяют внимание при изучении физики. Да и большинство задач посвящено как раз-таки свободным колебаниям, а не вынужденным.

Вынужденные

Несмотря на то что такого рода процесс изучается школьниками не так подробно, именно вынужденные колебания наиболее часто встречаются в природе. Довольно ярким примером данного физического явления может быть движение веток на деревьях в ветреную погоду. Такие колебания всегда происходят под воздействием внешних факторов и сил, да и возникают они в любой момент.

Характеристики колебаний

Как и любой другой процесс, колебания имеют свои характеристики. Можно выделить шесть основных параметров колебательного процесса: амплитуду, период, частоту, фазу, смещение и циклическую частоту. Естественно, каждая из них имеет свои обозначения, а также единицы измерения. Разберем их немного подробнее, остановившись на краткой характеристике. При этом мы не будем расписывать формулы, которые используются для вычисления той или иной величины, дабы не запутать читателя.

Смещение

Первая из них - смещение. Данная характеристика показывает отклонение тела от точки равновесия в данный момент времени. Измеряется в метрах (м), общепринятое обозначение - x.

Амплитуда колебания

Даная величина обозначает наибольшее смещение тела от точки равновесия. При наличии незатухающего колебания является постоянной величиной. Измеряется в метрах, общепринятое обозначение - х м.

Период колебания

Еще одна величина, которая обозначает время, за которое совершается одно полное колебание. Общепринятое обозначение - T, измеряется в секундах (с).

Частота

Последняя характеристика, о которой мы поговорим - частота колебаний. Данная величина указывает на число колебаний в определенный промежуток времени. Измеряется в герцах (Гц) и обозначается как ν.

Виды маятников

Итак, мы с вами разобрали вынужденные колебания, поговорили о свободных, значит, нам следует также упомянуть о видах маятников, которые используются для создания и изучения свободных колебаний (в школьных условиях). Тут можно выделить два вида - математический и гармонический (пружинный). Первый представляет собой некое тело, подвешенное к нерастяжимой нити, размер которой равен l (основная значимая величина). Второй - груз прикрепленный к пружине. Тут важно знать массу груза (m) и жесткость пружины (k).

Выводы

Итак, мы с вами разобрались, что существуют механические и электромагнитные колебания, дали их краткую характеристику, описали причины и условия возникновения данных видов колебаний. Сказали пару слов об основных характеристиках данных физических явлений. Разобрались также и с тем, что бывают вынужденные колебания и свободные. Определили, в чем их отличие друг от друга. Кроме того, мы сказали пару слов о маятниках, используемых при изучении механических колебаний. Надеемся, данная информация была вам полезна.

Рассмотрим колебания тяжелая на нитке или тяжелая на пружине. В приведенных примерах система осуществляла колебания около положения устойчивого равновесия. Почему же колебания возникают именно вблизи этого положения системы? Дело в том, что во время отклонения системы от положения устойчивого равновесия,

равнодействующая всех сил, приложенных к телу, стремится вернуть систему в положение равновесия. Эту равнодействующую так и называют - возвратно силой. Однако, вернувшись в состояние равновесия, система вследствие инерции «проскакивает» его. После этого снова возникает возвратно сила, направленная теперь в противоположную сторону. Так и возникают колебания. Чтобы колебания продолжались долгое время, необходимо, чтобы силы трения или силы сопротивления были очень маленькими.

Итак, для того, чтобы в системе происходили свободные колебания, необходимо выполнение двух условий:

Система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;

Силы трения или силы сопротивления должны быть достаточно малыми

Амплитуда колебаний

Во время колебаний смещение тела от положения равновесия периодически меняется.

Амплитуда колебаний - это физическая величина, характеризующая колебательное движение и равна максимальной расстояния, на которое отклоняется колеблющихся тело от своего положения равновесия.

Амплитуду колебаний обозначают символом А. Единица амплитуды колебаний в СИ - метр (м).

Амплитуда свободных колебаний определяется начальными условиями, т.е. тем начальным отклонением или толчком, которым грузы на нити или на пружине были приведены в движение.

Если груз на нити (или на пружине) оставить в покое, то через некоторое время амплитуда колебаний заметно уменьшится. Колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается, называются затухающими. Колебания, амплитуда которых со временем не меняется, называются незатухающими.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Какие тела образуют систему во время колебаний груза, висящего на нитке? Какова природа сил в случае взаимодействия этих тел?

2. Какие тела образуют систему во время колебаний груза, который находится на пружине? Какова природа сил в случае взаимодействия этих тел?

3. Равнодействующая которых сил играет роль возвратно силы во время колебаний груза, висящего:

а) на нитке?

б) на пружине?

4. Можно принимать за амплитуду размах колебаний?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. Можно назвать свободными колебания:

а) поплавка на волнах?

б) струны скрипки?

в) грузовика едет по ухабам?

г) иглы швейной машины?

д) отделов камертона?

2. Какие из перечисленных колебаний являются свободными:

а) колебания подвешенного на пружине тяжелая после случайного толчка;

б) колебания поверхности включенного динамика;

в) колебания подвешенного на нитке тяжелая (нить вывели из положения равновесия и отпустили)?

3. Тело за 10 с осуществило 50 колебаний. Чему равна период колебаний?

4. Во время колебаний грузик, подвешенный на нити, проходит через положение равновесия с интервалом 0,5 с. Чему равна период колебаний?

5. Поплавок колеблется на поверхности воды, за 3 с всплывает и ныряет в воду шесть раз. Вычислите период и частоту колебаний.

2. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры свободных и вынужденных колебаний.

2. В каких случаях колебания невозможны?

3. Назовите свойства колебательной системы.

4. В чем принципиальное отличие колебательного движения от движения по кругу?

5. Какие величины, характеризующие колебательное движение, изменяются периодически?

6. В каких единицах измеряются период, частота и циклическая частота колебаний?

Что мы узнали на уроке

Колебаниями называются физические процессы, точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.

Механические колебания называются такие движения тел, во время которых через равные интервалы времени координаты тела в движении - скорость и ускорение - приобретают исходных значений.
Свободные колебания - это колебания, происходящие в механической системе под действием внутренних сил системы после кратковременного воздействия какой-то внешней силы.

Колебания, возникающие под действием внешних сил и изменяются с течением времени по величине и направлению, называются вынужденными.

Условия существования свободных колебаний:

Система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;

Силы трения или силы сопротивления должны быть достаточно малыми;

Амплитуда колебаний - это физическая величина, характеризующая колебательное движение и равна максимальной расстояния, на которое отклоняется колеблющихся тело от своего положения равновесия.

Выясним, при соблюдении каких условий возникает и поддерживается в течение некоторого времени колебательное движение.

Первым условием, необходимым для возникновения колебаний, является наличие у материальной точки избыточной энергии (кинетической или потенциальной) по сравнению с ее энергией в положении устойчивого равновесия (§ 24.1).

Второе условие можно установить, проследив за движением груза 3 на рис. 24.1. В положении б на груз 3 действует сила упругости направленная к положению равновесия груза (см. рис. 24.1, б). действием этой силы груз смещается к положению равновесия с постепенно возрастающей скоростью движения V, а сила уменьшается и исчезает, когда груз попадает в это положение (рис. 24.1, в). Скорость груза в этот момент максимальна по величине, и груз, проскакивая через положение равновесия, продолжает двигаться вправо. При этом возникает сила упругости которая тормозит движение груза 3 и останавливает его (рис. 24.1, г). Сила в этом положении имеет максимальную величину; под действием этой силы груз 3 начинает двигаться влево. В положении равновесия (рис. 24.1, 5) сила исчезает, а скорость груза достигает, наибольшего значения, поэтому груз продолжает двигаться влево, пока не займет положение на рис. 24.1. Далее весь описанный процесс повторяется снова в том же порядке.

Таким образом, колебания груза 3 происходят вследствие действия силы и наличия у груза инерции. Силу, приложенную к

матермальной точке, всегда направленную к положению устойчивого равновесия точки, называют возвращающей силой. В положении устойчивого равновесия возвращающая сила равна нулю и возрастает по мере удаления точки от этого положения.

Итак, вторым условием, необходимым для возникновения и продолжения колебаний материальной точки, является действие на материальную точку возвращающей силы. Напомним, что. эта сила всегда возникает, когда какое-либо тело выводится из положения устойчивого равновесия.

В идеальном случае, при отсутствии трения и сопротивления среды, полная механическая энергия колеблющейся точки остается постоянной, так как в процессе таких колебаний происходит лишь переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. Такое колебание должно продолжаться неопределенно долгое время.

Если колебания материальной точки происходят при наличии трения и сопротивления среды, то полная механическая энергия материальной точки постепенно убывает, размах колебаний уменьшается и через некоторое время точка останавливается в положении устойчивого равновесия.

Бывают случаи, когда потери энергии материальной точкой настолько велики, что если внешняя сила отклоняет эту точку из положения равновесия, то она теряет всю свою избыточную энергию при возвращении в положение равновесия. В этом случае колебаний не получится. Итак, третье условие, необходимое для возникновения и продолжения колебаний, следующее: избыточная энергия, полученная материальной точкой при смещении из положения устойчивого равновесия, не должна полностью расходоваться на преодоление сопротивления при возвращении в это положение.