Физика. 11 класс

Груз, подвешенный на нити, колеблющийся в поле тяжести Земли, а также груз, прикрепленный к пружине — примеры наиболее простых механических колебательных систем. Рассмотрим физические процессы, происходящие в таких системах.

Какие условия необходимы для возникновения колебаний?

Результаты опытов показывают, что для возникновения и существования механических колебаний тело изначально необходимо привести в движение. Это можно сделать, отклоняя его от положения равновесия или придавая ему начальную скорость посредством толчка. Этим отклонением или толчком определяется амплитуда колебаний. Кроме того, при выведении тела из положения равновесия в колеблющейся системе должна возникать результирующая сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия.

Простейшая колебательная система, состоящая из тела с прикрепленной к нему пружиной, связывающей тело и опору, называется пружинным маятником. Пружина может располагаться как горизонтально (горизонтальный пружинный маятник), так и вертикально (вертикальный пружинный маятник).

Рассмотрим колебания горизонтального пружинного маятника.

Пусть тело массой m, лежащее на гладкой горизонтальной поверхности, прикреплено к свободному концу невесомой пружины жесткостью k (рис. 13, а). Второй конец пружины прикреплен к неподвижной опоре. Выведем тело из положения равновесия, сместив его, например, вправо на расстояние x (см. рис. 13, б). При этом согласно закону Гука возникнет сила упругости  приложенная к телу и направленная влево.

Согласно второму закону Ньютона будет выполняться равенство:   

(1)

С учетом закона Гука из (1) получаем уравнение для проекций величин на ось Ox (см. рис. 13, б):

.

(2)

Согласно (2) ускорение тела массой m пропорционально действующей силе и направлено к положению равновесия. При этом возникают колебания тела. Каждые полпериода направление движения меняется на противоположное. Смещение груза происходит то вправо, то влево относительно положения равновесия, т. е. оно меняет знак. Следовательно, и сила согласно (2) тоже меняет знак.

Перепишем полученное соотношение (2) в виде:

.

(3)

Уравнение (3) называется уравнением гармонических колебаний пружинного маятника.
Следовательно, необходимым условием возникновения гармонических колебаний является действие возвращающей силы, направленной к положению равновесия и прямо пропорциональной смещению тела от положения равновесия. Эта возвращающая сила всегда направлена к положению равновесия, о чем «говорит» минус в уравнении (2).
В положении равновесия возвращающая сила равна нулю ( = 0), так как x = 0. Поэтому если в этом положении колеблющееся тело остановить, то колебания исчезнут.
Расчеты показывают, а результаты экспериментов подтверждают, что при описанных условиях тело будет совершать колебания с периодом:

.

(4)

С учетом того, что период связан с циклической частотой соотношением  , находим:

.

(5)

Из формул (4) и (5) следует, что период и частота гармонических колебаний пружинного маятника определяются массой груза m и жесткостью пружины k и не зависят от амплитуды его колебаний.
Отметим, что период и циклическая частота колебаний вертикального пружинного маятника (рис. 14) также определяются по формулам (4) и (5).
Одной из наиболее распространенных колебательных систем является математический маятник.

Математическим маятником называется небольшое тело массой m, подвешенное на невесомой нерастяжимой нити длиной l, находящееся в поле силы тяжести (рис. 15).

Рассмотрим колебания математического маятника.

Отклонение маятника от положения равновесия будем характеризовать углом α (рис. 16), который нить образует с вертикалью. После отклонения маятника от положения равновесия на него действуют две силы: направленная вертикально вниз сила тяжести  и направленная вдоль нити сила упругости   .  Под действием этих сил тело движется ускоренно к положению равновесия (точка B). Пройдя точку B, тело продолжает двигаться, но его скорость постепенно уменьшается, обращаясь в нуль в точке, симметричной точке А относительно вертикали. После этого оно начинает двигаться обратно к точке B.

Согласно второму закону Ньютона для движения маятника можем записать: 

(6)

В проекциях на выбранные оси координат Ox и  Oy (см. рис. 16) получаем: 

,

(7)

(8)

Поскольку при малых углах отклонения длина дуги АВ ≈ х, то из ΔAOD находим:

,

где х — отклонение маятника от положения равновесия, l — длина маятника. Подставляя выражение для синуса в (7), получим:

(9)

Таким образом, силой, возвращающей маятник к устойчивому положению равновесия при колебаниях, являются силы упругости его нити и силы тяжести.
При малых углах отклонения маятника проекция вектора ускорения  и ей можно пренебречь, а , тогда из уравнения (8) следует Следовательно, уравнение движения маятника вдоль оси O_x запишется в виде:

.

где — проекция ускорения, сообщаемого грузу маятника силой упругости нити.
Откуда получаем уравнение колебаний математического маятника:

.

(10)

Сравнивая соотношения (10), (3) и (5), легко получить формулу для циклической частоты математического маятника в поле тяжести Земли:

.

(11)

Период малых колебаний математического маятника  в поле тяжести Земли определяется по формуле Гюйгенса:

(12)

Используя соотношения (5) и (11), уравнение колебаний пружинного маятника  и математического маятника   можно записать в одинаковом виде:

.

(13)

Таким образом, зависимости координат от времени x(t), описываемые уравнениями (5) и (6) из  § 1, удовлетворяют уравнению (13), которое называется уравнением гармонических колебаний.
Как видно из формул (11), (12), период и циклическая частота малых колебаний математического маятника не зависят от массы маятника и амплитуды его колебаний, а определяются только его длиной и ускорением свободного падения.

Галилео Галилей первый экспериментально определил, что период малых колебаний () математического маятника длиной l в поле силы тяжести не зависит от его массы m и амплитуды колебаний (угла начального отклонения a).

Если маятник приобретает дополнительное ускорение , обусловленное, например, ускоренным движением точки подвеса, то при этом будет изменяться сила упругости нити. В таком случае период колебаний маятника будет определяться по формуле:

где  — «эффективное ускорение», равное векторной разности .

Повышенный интерес к гармоническим колебаниям объясняется тем, что они широко распространены в науке и технике (маятники, музыкальные инструменты, свет, переменные токи и т. д.). Кроме того, гармонические колебания имеют простое математическое описание, а их период не зависит от амплитуды. Подчеркнем, что любое периодическое движение можно рассматривать как результат наложения простых гармонических составляющих.

В 1807 г. французский физик Жан Батист Жозеф Фурье (1768—1830) показал, что любой периодический процесс, каким бы сложным он ни был, может быть разложен на составляющие его гармонические сигналы. В качестве примера приведем моделирование прямоугольного сигнала в виде суммы гармонических сигналов с кратными частотами в отношении 1:3:5:7…. (рис. 16-1). Чем больше сигналов разных частот складываются, тем точнее форма конечного сигнала будет соответствовать исходной прямоугольного сигнала. Сигналы прямоугольной формы широко используются для проверки динамиков, микрофонов.