- Определение механических колебаний
- Характеристики механических колебаний: период и частота
- Свободные механические колебания
- уметь определять механические колебания
- знать определения и формулы физических величин: период механических колебаний и частота
- знать условия возникновения свободных механических колебаний
- Вспомните процессы и явления, окружающие вас, которые точно или приблизительно точно могут повторяться.
- Как можно назвать такие процессы и явления?
- Почему, если перестать раскачивать качели, они останавливаются?
Определение механических колебаний
Колебательные движения широко распространены в окружающем мире. В чём состоит особенность колебательного движения? Рассмотрим несколько примеров. На рисунке 1 в случае а) шарик колеблется на длиной нити. После выведения системы из положения равновесия под действием силы тяжести шарик стремится к положению равновесия, после прохождения положения равновесия шарик не остановится, а продолжит двигаться в другую сторону. В крайней точке смещения шарик остановится и вновь ускоряясь начнёт движение вправо. Если сила трения будет пренебрежимо мала, то эти движения будут повторяться. В случаях б) (кубик, прикреплённый к пружине, по гладкой поверхности совершает повторяющиеся движения) и в) (струна, выведенная из положения равновесия, движется то в одну, то в другую сторону).
Рис. 1. Механические колебания: а) шарик, подвешенный на нити; б) кубик, прикреплённый к пружине; в) струна
Движения, которые точно или приблизительно точно повторяются через определённый промежуток времени, называют механическими колебаниями.
Характеристики механических колебаний: период и частота
Любое явление в физике описывают физическими величинами. Для колебаний главными величинами являются период и частота.
Минимальный промежуток времени , через который колебательное движение повторяется, называют периодом колебаний.
Период колебаний в СИ измеряют в секундах. Вычисляют его по формуле
(1),
где t — время, в течение которого совершались колебания, N — число полных колебаний за это время.
Число колебаний за единицу времени называют частотой колебаний.
Частоту колебаний обозначают греческой буквой . Единицу измерения частоты в СИ называют герц (Гц); 1 Гц = 1 . Один герц — это частота, при которой за 1 с совершается одно полное колебание.
Частоту вычисляют по формуле
(2).
Из формул (1) и (2) легко заметить, что период и частота связаны между собой соотношением
(3).
Свободные механические колебания
Колебания в системе тел, обусловленные действием только внутренних сил, называют свободными.
Свободные колебания возникают в системе после выведения её из положения равновесия. При этом появляются силы (возвращающие), стремящиеся вернуть систему в положение равновесия. При малых силах трения в системе колебания под действием возвращающих сил могут продолжаться достаточно долго.
Таким образом, чтобы в системе могли происходить свободные колебания, необходимо выполнение двух условий:
- наличие у системы положения устойчивого равновесия;
- силы трения должны отсутствовать.
Чтобы свободные колебания начались, необходимо вывести колебательную систему из положения равновесия. С энергетической точки зрения это означает, что системе необходимо передать начальный запас механической энергии (отклонив шарик на нити, сообщаем ему потенциальную энергию, а толкнув в положении равновесия — кинетическую). При свободных колебаниях в отсутствии сил трения полная механическая энергия сохраняется.
Контрольные вопросы
1. Какие движения называют колебаниями?
2. Что называют периодом колебаний?
3. Что называют частотой колебаний?
4. Как связаны между собой период и частота колебаний?
5. Какие колебания называют свободными? Когда они возникают?
6. Какие превращения энергии будут происходить при колебании шарика, подвешенного на нити?
7. Что произойдёт с установившимися свободными колебаниями, если начнут действовать силы трения?
