Вынужденные колебания

26. Затухающие колебания. Вынужденные колебания Еще раз обратимся к опыту, иллюстрирующему колебательное движение.  В   колебательную   систему   входят  цилиндр,   прикрепленный   пружиной   к стойке, и свободно движущийся вдоль струны, проходящей через центральное отверстие   в   цилиндре.  Напомним,   что   проводя   опыт,   силами   трения   мы пренебрегали.   Остальные   силы,   действующие   на   неподвижное   тело, скомпенсированы.   Такую   систему   называют   замкнутой.   Поэтому   колебания данной системы можно считать гармоническими.  Мы   уже   объясняли   движение   цилиндра   с   точки   зрения   динамики. Рассмотрим, как изменяется энергия этой системы. Отводя цилиндр в сторону, мы совершаем работу по растяжению пружины и при этом сообщаем системе некоторый запас потенциальной энергии (работа равна изменению энергии). Кинетическая энергия в этот момент равна нулю. Отпустив   цилиндр,   мы   наблюдаем,   что   под   действием   пружины,   он начинает двигаться (а значит его  кинетическая энергия начинает возрастать). Растяжение пружины уменьшается, и потенциальная энергия убывает. В   точке   равновесия   системы   пружина   не   растянута,   поэтому потенциальная   энергия   равна   нулю,   а   вот   кинетическая   достигает   своего максимального   значения,   так   как   скорость   в   этой   точке   у   цилиндра максимальная. При   дальнейшем   движении   пружина   снова   начинает   сжиматься, следовательно,   потенциальная   энергия   возрастает,   а   вот   кинетическая уменьшается, так как дальнейшее сжатие препятствует движению цилиндра.  В крайнем положении цилиндр на долю секунды останавливается, в этот момент   кинетическая   энергия   равна   нулю,   а   потенциальная   достигает максимума.  Дальнейшее изменение энергии происходит аналогично уже рассмотренной цепочке, но в обратном порядке. Запомним,   что   мы   рассматриваем   замкнутую   систему,   в   которой изменение механической энергии происходит без потерь. А как этот процесс происходит в реальной системе, где есть силы трения? Часть   механической   энергии,   в   таком   случае,   переходит   в   тепло,   при трении цилиндра о струну во время движения, и расходуется на преодоление силы   сопротивления   воздуха.   Поэтому   колебательное   движение   со   временем прекращается,   его   называют   затухающим.   График   такого   реального колебательного движения представлен на рисунке. На графике хорошо видно, что амплитуда таких колебаний с течением времени уменьшается. В воде колебания затухают быстрее, чем в воздухе. Колебания,   которые   мы   рассматривали,   происходили   за   счет   запаса внутренней энергии, мы их называем свободными колебаниями. Свободные   колебания   всегда   затухающие.   Так   как   вся   первоначальная энергия,   сообщенная   системе,   в   конечном   итоге   будет   израсходована   на преодоление сил трения и сопротивления окружающей среды. В   практической   жизни,   для   того,   чтобы   колебания   не   затухали, необходимо сообщать запас энергии снова и снова.  Например,   катая   ребенка   на   качелях,   родители   подталкивают   качели   в такт их колебаниям. Такие колебания называют вынужденными. Вынужденные колебания – это колебания, которые совершаются телом под действием внешней периодически изменяющейся силы. Сила, которая вызывает вынужденные колебания, называется вынуждающей силой. Такие колебания не будут затухать, пока на них действует вынуждающая сила. Вынужденные   колебания   можно   наблюдать   при   ковке   и   штамповке деталей, движении поршней в двигателе автомобиля и т.п.