Параграф 29 Физика 9 класс Пёрышкин | Конспект

Колебательное движение. Свободные колебания

Колебательные движения в природе и технике

Колебательные движения широко распространены в природе и технике. Примерами таких движений являются колебания ветвей деревьев под воздействием ветра, колебания струн музыкальных инструментов, мембраны телефона, а также фундаментные колебания при работе машин и вибрации конструкций мостов и зданий. В живой природе встречаются колебания в сердечно-сосудистой системе, дыхательной системе, а также при работе различных мышц. Также колебательные процессы наблюдаются в масштабе планеты и Вселенной: землетрясения, приливы и отливы, пульсации звезд. Эти примеры показывают, что колебания имеют огромное значение для описания процессов в физике и природе. Колебания можно наблюдать и изучать в самых разных системах, от маятников до молекул.

Механические колебания

Механическими колебаниями называют повторяющиеся во времени движения, при которых тело многократно проходит положение равновесия из одной стороны в другую. Такие движения могут происходить с различной частотой и амплитудой, в зависимости от условий системы. Частота колебаний определяет, сколько раз за определенный промежуток времени система проходит через положение равновесия. Важной характеристикой колебательных движений является период — время одного полного колебания. Период и частота связаны между собой: чем больше период, тем меньше частота. Различные примеры, такие как маятники и пружины, демонстрируют, как колебательные движения зависят от характеристик системы.

Свободные колебания

Свободными колебаниями называют такие колебания, которые происходят только под действием начального запаса энергии, без внешнего воздействия. Если тело, отклоненное от положения равновесия, отпустить, оно будет возвращаться в начальное положение и продолжать двигаться под действием сил, стремящихся вернуть его в равновесие. В системе при этом сохраняется общая энергия, но периодически происходит переход энергии из кинетической в потенциальную и обратно. Это движение продолжается до тех пор, пока в системе не появляются силы сопротивления или трения. Примером свободных колебаний является движение шарика на пружине, подвешенного к опоре, или колебания маятника.

Динамика свободных колебаний горизонтального пружинного маятника

Горизонтальный пружинный маятник — это система, в которой шарик закреплен на горизонтальной пружине. В положении равновесия пружина не растянута и не сжата. Если шарик отклонить от положения равновесия и отпустить, он начнет совершать колебательные движения. В точке максимального отклонения сила упругости, направленная в сторону равновесия, достигает своего максимума. По мере приближения к положению равновесия сила упругости уменьшается, но скорость шарика увеличивается. После прохождения положения равновесия шарик снова начинает замедляться, так как сила упругости начинает действовать в обратном направлении, возвращая его к положению равновесия. Движение продолжается до тех пор, пока система не остановится из-за действия сил трения.

Колебательные системы

Системами, способными совершать свободные колебания, называют колебательные системы. Для возникновения колебаний в системе должно быть положение устойчивого равновесия, к которому система стремится вернуться после отклонения. Это равновесие может нарушаться внешним воздействием, но система всегда будет стремиться вернуться к нему под действием внутренних сил. Колебательные системы могут быть как механическими, так и электрическими или даже биологическими. В механических системах примером служат пружинные и нитяные маятники. В электрических системах колебания возникают за счет перехода энергии между катушками индуктивности и конденсаторами. Важно учитывать все параметры системы, такие как масса, жесткость пружины или длина маятника, чтобы правильно описывать их динамику и поведение.