Свободные колебания

23. Колебательное движение. Свободные колебания Человек   ежедневно   встречается   с   колебательным   движением.   Качели, которые отклонили от положения равновесия.  Движение иглы швейной машины. Звуковые колебания струны музыкальных инструментов. И даже – колебание люстры,  если   ее  задеть,  случайно   рукой.  Периодичность,  то   есть   повторение движения   позволяет   выделить   эти   колебания,   как   отдельный   вид   движения. Промежуток   времени,   через   который   это   движение   повторяется,   называют периодом колебания. Мы   будем   рассматривать   только   механические   колебания,   то   есть   те колебания, которые вызваны движущимся телом. Сформулируем определение: Механические   колебания   –   это   колебания,   повторяющиеся   через   равные промежутки   времени   движения,   при   которых   тело   многократно   и   в   разных направлениях будет проходить положение равновесия. Механические   колебания   рассмотрим   на   примере   горизонтального пружинного   маятника.   Он   представляет   собой   цилиндр,   прикрепленный пружиной к стойке и свободно движущийся вдоль струны, проходящей через центральное   отверстие   в   цилиндре.   Силы   трения,   замедляющие   движение цилиндра,   учитывать   не   будем,   т.к.   они   настолько   малы,   что   не   оказывают существенного   влияния   на   его   движение.   Остальные   силы   (сила   тяжести   и упругости),   действующие   на   цилиндр,   скомпенсированы.   То   есть   систему рассматриваем, как замкнутую. Направим ось OX вдоль струны вправо. За начало отсчета примем положение равновесия системы. Точка О – точка равновесия системы.  Отведем пружину вправо на расстояние А, при этом на цилиндр начинает действовать сила упругости растянутой пружины, направленная к точке О. Чем дальше сместим цилиндр от положения равновесия, тем большая сила упругости возникнет в пружине.  Отпускаем цилиндр, и он под действием силы упругости начинает двигаться ускоренно   в   сторону   противоположную   смещению.  При   этом   сила   упругости уменьшается, а скорость движения цилиндра увеличивается. Проходя положение равновесия, он приобретает максимальную скорость, и по инерции продолжает свое движение. В положении равновесия сила упругости равна нулю. При дальнейшем движении по струне, скорость цилиндра уменьшается, ведь дальнейшему движению начинают препятствовать сила упругости, возникающая вследствие   деформации   пружины   (ее   сжатия)   и   направленные   против деформирующей силы, то есть движения цилиндра.  Движение   будет   продолжаться   до   тех   пор,   пока   скорость   цилиндра   не уменьшиться до нуля. При этом он отклониться от положения равновесия на расстояние   С.   Сила   упругости   будет   продолжать   действовать   и   цилиндр, поменяв направление, продолжит свое движение.  Картина   движения   будет   аналогичной,   но   направление   всех   векторов поменяется   на   противоположное.   Скорость   будет   возрастать   и   снова   станет максимальной с точке О, сила упругости в этой точке будет равна нулю. Затем скорость   начинает   уменьшаться,   так   как   ее   движению   противодействует возрастающая сила упругости растянутой пружины, которая замедляет движение тела до полной его остановки.  Дойдя до точки А цилиндр остановится снова. Он совершит одно полное колебание. И дальнейшее движение будет повторением рассмотренного движения. При этом в каждой точке его траектории (исключая точку равновесия) на тело будет действовать сила упругости пружины, которая направлена к положению равновесия.  Движение началось не само по себе, ­ вначале мы ему сообщили некоторый запас энергии (растянув пружину).  Колебания, которые происходят только благодаря этому начальному запасу энергии принято называть свободными колебаниями. И если система тел (как в рассмотренном выше случае), способна совершать свободные колебания, то ее называют колебательной системой. Все   колебательные   системы   имеют   одно   общее   свойство,   которое заключается   в   возникновении   силы,   возвращающей   систему   в   положение устойчивого   равновесия.   Колебательные   системы,   которые   были   нами рассмотрены, называются маятниками.  Посмотрите   на   представленные   рисунки   и   выберете   те,   на   которых представлены случаи колебательного движения. 1. Часы с маятником. 2. Погружение подводной лодки. 3. Скоростной спуск спортсмена. 4. Движение языка колокола. (пауза) Колебательное движение можно наблюдать по часам с маятником и при движении языка колокола.