Конспект по физике для 9 класса «Вынужденные колебания. Резонанс». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое вынужденные колебания. Когда возникает резонанс.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Вынужденные колебания. Резонанс
Если при качании на качелях не прикладывать никаких усилий, то качели достаточно быстро остановятся. Для того чтобы этого не произошло, обычно качели слегка подталкивают в такт их колебаниям. При этом лёгкого подталкивания качелей в определённые моменты времени оказывается достаточным, чтобы быстро раскачать качели до колебаний с большой амплитудой, а затем поддерживать эти колебания.
ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Так как колебания затухают вследствие потерь механической энергии, необходимо восполнять эти потери за каждый период колебаний. Это можно сделать, если воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Например, если подталкивать грузик маятника рукой, он может качаться в течение любого промежутка времени. Подобным образом обычно качаются на качелях — их подталкивают в такт колебаниям.
Колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы, называют вынужденными колебаниями. Внешнюю периодически изменяющуюся силу, вызывающую эти колебания, называют вынуждающей силой.
В отличие от свободных колебаний, которые из-за наличия трения затухают, вынужденные колебания являются незатухающими. Потери энергии в процессе этих колебаний компенсируются поступлением энергии от источника внешней силы. Вынужденные колебания происходят до тех пор, пока действует вынуждающая сила.
Кроме того, свободные колебания могут происходить лишь с определёнными частотами и периодами колебаний, которые зависят от характеристик колебательной системы. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.
Выясним, как амплитуда вынужденных колебаний зависит от соотношения между частотой вынуждающей силы и собственной частотой колебательной системы.
Подвесим на нитях, прикреплённых к общей перекладине, маятник 1 и маятник 2, имеющий массу существенно больше. Длина нити маятника 1 постоянна, этой длине соответствует вполне определённый период, следовательно, и определённая частота свободных колебаний. Длину нити маятника 2 можно изменять, подтягивая свободный конец нити, при этом меняется и его собственная частота колебаний.
Если привести в движение маятник 2, то он через перекладину будет действовать на маятник 1 с некоторой вынуждающей силой, меняющейся с такой же частотой, с какой колеблется маятник 2.
Если начать уменьшать длину нити маятника 2, начнёт уменьшаться и его период колебаний. Следовательно, частота его колебаний увеличится. При этом увеличится и частота вынуждающей силы, действующей на маятник 1. Опыт показывает, что при этом начнёт увеличиваться амплитуда вынужденных колебаний маятника 1. Увеличение амплитуды будет продолжаться до тех пор, пока длины маятников не станут равными. Когда длины маятников становятся равными, т. е. когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний маятника 1, его амплитуда колебаний резко возрастает. При дальнейшем уменьшении длины маятника 2 частота вынуждающей силы оказывается больше собственной частоты маятника 1 и амплитуда его колебаний уменьшается.
ЯВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСА
Явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы называют резонансом.
На рейку подвешивают несколько маятников разной длины. При этом маятник 1 массивный, а остальные маятники лёгкие. Маятник 1 приводят в движение в плоскости, перпендикулярной рейке. Он будет совершать свободные колебания, периодически действуя с некоторой силой на рейку. Рейка, в свою очередь, будет действовать на остальные маятники, которые начнут совершать вынужденные колебания с частотой колебаний маятника 1. При этом маятники 2 и 3 останутся почти неподвижными, так как их собственные частоты значительно отличаются от частоты маятника 1, т. е. амплитуды маятников 2 и 3 будут малы. Амплитуды маятников 4 и 5 будут больше, а маятники 6 и 7, имеющие ту же длину нити, что и маятник 1, начнут колебаться с очень большой амплитудой, т. е. войдут в резонанс с маятником 1.
Явление резонанса необходимо учитывать на практике. Резонансные явления могут вызывать необратимые разрушения в различных механических системах, например в неправильно спроектированных мостах. Так, в 1905 г. рухнул Египетский мост в Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон, а в 1940 г. разрушился Такомский мост в США. Чтобы предотвратить такие повреждения, строй солдат должен сбивать шаг при прохождении мостов.
Явление резонанса используют, когда с помощью небольшой силы необходимо получить большое увеличение амплитуды колебаний. Например, тяжёлый язык большого колокола можно раскачать, действуя сравнительно небольшой силой с частотой, равной собственной частоте колебаний колокола.
Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Вынужденные колебания. Резонанс».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).