Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Превращения энергии при гармонических колебаниях Превращения энергии при гармонических колебаниях пружинного маятника

53. Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынуж­денные колебания. Резонанс.

При отклонении математического маятника от положения равновесия его потенциальная энергия увеличивается, т.к. увеличивается расстояние до Земли. При движении к положению равновесия скорость маятника возрастает, и увеличивается кинетическая энергия, за счет уменьшения запаса потенциальной. В положении равновесия кинетическая энергия – максимальная, потенциальная – минимальна. В положении максимального отклонения – наоборот. С пружинным – то же самое, но берется не потенциальная энергия в поле тяготения Земли, а потенциальная энергия пружины. Свободные колебания всегда оказываются затухающими, т.е. с убывающей амплитудой, т.к. энергия тратится на взаимодействие с окружающими телами. Потери энергии при этом равны работе внешних сил за это же время. Амплитуда зависит от частоты изменения силы. Максимальной амплитуды она достигает при частоте колебаний внешней силы, совпадающей с собственной частотой колебаний системы. Явление возрастания амплитуды вынужденных колебаний при описанных условиях называется резонансом. Так как при резонансе внешняя сила совершает за период максимальную положительную работу, то условие резонанса можно определить как условие максимальной передачи энергии системе.

54. Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь длины волны со скоростью ее распространения. Звуковые волны. Скорость звука. Ультразвук

Возбуждение колебаний в одном месте среды вызывает вынужденные колебания соседних частиц. Процесс распространении колебаний в пространстве называется волной. Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения, называются поперечными волнами. Волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения волны, называются продольными волнами. Продольные волны могут возникать во всех средах, поперечные – в твердых телах под действием сил упругости при деформации или сил поверхностного натяжения и сил тяжести. Скорость распространения колебаний v в пространстве называется скоростью волны. Расстояние l между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны. Зависимость длины волны от скорости и периода выражается как , или же . При возникновении волн их частота определяется частотой колебаний источника, а скорость – средой, где они распространяются, поэтому волны одной частоты могут иметь в разных средах различную длину. Процессы сжатия и разрежения в воздуха распространяются во все стороны и называются звуковыми волнами. Звуковые волны являются продольными. Скорость звука зависит, как и скорость любых волн, от среды. В воздухе скорость звука 331 м/с, в воде – 1500 м/с, в стали – 6000 м/с. Звуковое давление – дополнительно давление в газе или жидкости, вызываемое звуковой волной. Интенсивность звука измеряется энергией, переносимой звуковыми волнами за единицу времени через единицу площади сечения, перпендикулярного направлению распространения волн, и измеряется в ваттах на квадратный метр. Интенсивность звука определяет его громкость. Высота звука определяется частотой колебаний. Ультразвуком и инфразвуком называют звуковые колебания, лежащие вне пределов слышимости с частотами 20 килогерц и 20 герц соответственно.

55.Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превраще­ние энергии в колебательном контуре. Собственная частота коле­баний в контуре.

Электрическим колебательным контуром называется система, состоящая из конденсатора и катушки, соединенных в замкнутую цепь. При подключении катушки к конденсатору в катушке возникает ток и энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля. Конденсатор разряжается не мгновенно, т.к. этому препятствует ЭДС самоиндукции в катушке. Когда же конденсатор разрядится полностью, ЭДС самоиндукции будет препятствовать убыванию тока, и энергия магнитного поля будет переходить в энергию электрического. Ток, возникающий при этом, зарядит конденсатор, причем знак заряда на обкладках будет противоположным первоначальному. После чего процесс повторяется до тех пор, пока вся энергия не будет затрачена на нагревание элементов цепи. Таким образом, энергия магнитного поля в колебательном контуре переходит в энергию электрического и обратно. Для полной энергии системы возможно записать соотношения: , откуда для произвольного момента времени . Как известно, для полной цепи . Полагая, что в идеальном случае R»0, окончательно получим , или же . Решением этого дифференциального уравнения является функция , где . Величину w называют собственной круговой (циклической) частотой колебаний в контуре.


Закона, а на языке более уважительном и человечном. И вместо “вы обязаны”, будем говорить: “давайте попробуем”». Школьный курс по основам православной культуры является предметом культурологическим (а не религиозным), и поэтому его нужно преподавать в школе так, как необходимо преподавать математику. Так считает митрополит Смоленский и Калининградский Кирилл (Гундяев). Реализовывать эту в...

Раза. В силу специфичности информации схемы определения количества информа­ции, связанные с ее содержательной стороной, оказы­ваются не универсальными. Универсальным оказывается алфавитный подход к измерению количества информации. В этом подходе сообщение, представленное в какой-либо знаковой системе, рассматривается как совокупность сообще­ний о том, что заданная позиция в последовательнос­ти...

Полезно учителю при подготовке рассказа на уроке. В данной публикации сделана попытка выделить тот самый минимум, который ученику необходимо включить в свой ответ на экзамене. Примечания для учеников При ответе надо быть готовым к дополнительным вопросам об обосновании тех или иных утверждений. Например, каковы максимальное и минимальное значения 8-битного целого числа со знаком и почему их...

Список или выбрать из 2-3 текстов наиболее интересные места. Таким образом, мы рассмотрели общие положения по созданию и проведению элективных курсов, которые будут учтены при разработке элективного курса по алгебре для 9 класса «Квадратные уравнения и неравенства с параметром». Глава II. Методика проведения элективного курса «Квадратные уравнения и неравенства с параметром» 1.1. Общие...

Рассмотрим процесс превращения энергии при гармоническом колебательном движении на примере идеального (F тр =0) горизонтального пружинного маятника. Выводя тело из положения равновесия, например сжимая пружину на х=А, мы сообщаем ему некоторый запас потенциальной энергии \(~W_{n_{0}} = \frac{kA^2}{2}\) (горизонтальный уровень, на котором находится маятник, выбираем за нулевой уровень отсчета потенциальной энергии маятника в поле силы тяжести, тогда W п = 0). При движении тела к положению равновесия его потенциальная энергия \(W_n = \frac{kx^2}{2}\) убывает, а кинетическая \(W_k = \frac{m \upsilon^2}{2}\) возрастает, так как деформация пружины уменьшается, а скорость движения тела увеличивается. В момент прохождения телом положения равновесия его потенциальная энергия равна нулю, а кинетическая \(W_{k_{0}}=\frac{m \upsilon^2_max}{2}\) - максимальна. После прохождения положения равновесия скорость тела уменьшается, а пружина растягивается. Следовательно, кинетическая энергия тела убывает, а потенциальная - возрастает. В точке максимального отклонения тела его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная - максимальна. Таким образом, при колебаниях периодически происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Полная механическая энергия пружинного маятника равна сумме его кинетической и потенциальной энергий \(W = W_k + W_n.\)

Если смещение материальной точки, совершающей гармонические колебания, изменяется с течением времени по закону \(~x = A \cos \omega t,\) то проекция скорости на ось х \(~\upsilon_x = -\omega A \sin \omega t\) (см. § 13.2). Следовательно, кинетическая энергия в любой момент времени может быть задана функцией \(W_k = \frac{m \upsilon^2}{2} = \frac{m \omega^2 A^2 \sin^2 \omega t}{2} = \frac{m \omega^2 A^2}{4}(1- \cos 2 \omega t),\) а потенциальная энергия - функцией \(W_n = \frac{k x^2}{2} = \frac{ k A^2 \cos^2 \omega t}{2} = \frac{m \omega^2 A^2}{4}(1+ \cos 2 \omega t) ,\) так как \(\omega^2 = \frac{k}{m}\), то \(~k = m \omega^2.\)

Полная энергия \(W = \frac{m \omega^2 A^2 \sin^2 \omega t}{2} + \frac{m \omega^2 A^2 \cos^2 \omega t}{2} = \frac{m \omega^2 A^2}{2} = \frac{kA^2}{2}.\)

Из этих формул видно, что W к и W п изменяются тоже по гармоническому закону, с одинаковой амплитудой \(\frac{m \omega^2 A^2}{4}\) и в противофазе друг с другом и с частотой \(~2 \omega\) (рис. 13.13), а полная механическая энергия не изменяется со временем. Она равна либо потенциальной энергии тела в момент максимального отклонения, либо его кинетической энергии в момент прохождения положения равновесия:

\(W = \frac{kA^2}{2} = \frac{m \upsilon^2_m}{2} = \frac{m \omega^2 A^2}{2}.\)

В реальных условиях на маятник всегда действуют силы сопротивления, поэтому полная энергия уменьшается, и свободные колебания маятника с течением времени затухают, т.е. их амплитуда уменьшается до нуля (рис. 13.14).

Рассмотрим превращение энергии при гармонических колебаниях в двух случаях: в системе нет трения; в системе есть трение.

Превращения энергии в системах без трения. Смещая шарик, прикрепленный к пружине (см. рис. 3.3), вправо на расстояние х m , мы сообщаем колебательной системе потенциальную энергию:

При движении шарика влево деформация пружины становится меньше, и потенциальная энергия системы уменьшается. Но одновременно увеличивается скорость и, следовательно, возрастает кинетическая энергия. В момент прохождения шариком положения равновесия потенциальная энергия колебательной системы становится равной нулю (W п = 0 при х = 0). Кинетическая же энергия достигает максимума.

После прохождения положения равновесия скорость шарика начинает уменьшаться. Следовательно, уменьшается и кинетическая энергия. Потенциальная же энергия системы снова увеличивается. В крайней левой точке она достигает максимума, а кинетическая энергия становится равной нулю. Таким образом, при колебаниях периодически происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Нетрудно проследить за тем, что такие же превращения механической энергии из одного ее вида в другой происходят и в случае математического маятника.

Полная механическая энергия при колебаниях тела, прикрепленного к пружине, равна сумме кинетической и потенциальной энергий колебательной системы:

Кинетическая и потенциальная энергии периодически изменяются. Но полная механическая энергия изолированной системы, в которой отсутствуют силы сопротивления, сохраняется (согласно закону сохранения механической энергии) неизменной. Она равна либо потенциальной энергии в момент максимального отклонения от положения равновесия, либо же кинетической энергии в момент, когда тело проходит положение равновесия:

Энергия колеблющегося тела прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний координаты или квадрату амплитуды колебаний скорости (см. формулу (3.26)).

Свободные колебания груза, прикрепленного к пружине, или маятника являются гармоническими лишь в том случае, когда нет трения. Но силы трения, или, точнее, силы сопротивления окружающей среды, хотя, может быть, и малые, всегда действуют на колеблющееся тело.

Силы сопротивления совершают отрицательную работу и тем самым уменьшают механическую энергию системы. Поэтому с течением времени максимальные отклонения тела от положения равновесия становятся все меньше и меньше. В конце концов, после того как запас механической энергии окажется исчерпанным, колебания прекратятся совсем. Колебания при наличии сил сопротивления являются затухающими .

График зависимости координаты тела от времени при затухающих колебаниях изображен на рисунке 3.10. Подобный график может вычертить само колеблющееся тело, например маятник.

На рисунке 3.11 изображен маятник с песочницей. Маятник на равномерно движущемся под ним листе картона струйкой песка вычерчивает график зависимости своей координаты от времени. Это простой метод временной развертки колебаний, дающий достаточно полное представление о процессе колебательного движения. При небольшом сопротивлении затухание колебаний на протяжении нескольких периодов мало. Если же к нитям подвеса прикрепить лист плотной бумаги для увеличения силы сопротивления, то затухание станет значительным.

В автомобилях применяются специальные амортизаторы для гашения колебаний кузова при езде по неровной дороге. При колебаниях кузова связанный с ним поршень движется в цилиндре, заполненном жидкостью. Жидкость перетекает через отверстия в поршне, что приводит к появлению больших сил сопротивления и быстрому затуханию колебаний.

Энергия колеблющегося тела при отсутствии сил трения сохраняется неизменной.

Если на тела системы действуют силы сопротивления, то колебания являются затухающими.

При колебаниях математического маятника полная энергия системы складывается из кинетической энергии материальной точки (шарика) и потенциальной энергии материальной точки в поле сил тяготения. При колебаниях пружинного маятника полная энергия складывается из кинетической энергии шарика и потенциальной энергии упругой деформации пружины:

При прохождении положения равновесия и в первом и во втором маятнике кинетическая энергия шарика достигает максимального значения, потенциальная энергия системы равна нулю. При колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную энергию системы, полная энергия системы при этом остается неизменной, если отсутствуют силы сопротивления (закон сохранения механической энергии). Например, для пружинного маятника можно записать:

В колебательном контуре (рис.14.1.с) полная энергия системы складывается из энергии заряженного конденсатора (энергии электрического поля )и энергии катушки с током (энергии магнитного поля . Когда заряд конденсатора максимален, ток в катушке равен нулю (см. формулы 14.11 и 14.12), энергия электрического поля конденсатора максимальна, энергия магнитного поля катушки равна нулю. В момент времени, когда заряд конденсатора равен нулю, ток в катушке максимален, энергия электрического поля конденсатора равна нулю, энергия магнитного поля катушки максимальна. Также как и в механических осцилляторах, в колебательном контуре происходит периодическое превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля, полная энергия системы при этом остается неизменной, если отсутствует активное сопротивление R . Можно записать:

. (14.15)

Если в процессе колебаний на математический или на пружинный маятник действуют внешние силы сопротивления, а в цепи колебательного контура есть активное сопротивление R , энергия колебаний, а значит, и амплитуда колебаний будут уменьшаться. Такие колебания называются затухающими колебаниями , на рисунке 14.2 приведен график зависимости колеблющейся величины Х от времени.

Рис. 14.3

§ 16. Переменный электрический ток.

С источниками постоянного тока мы уже знакомы, знаем, для чего они нужны, знаем законы постоянного тока. Но гораздо большее практическое значение в нашей жизни имеет переменный электрический ток, который используется в быту, на производстве и других областях человеческой деятельности. Сила тока и напряжение переменного тока (например, в осветительной сети нашей квартиры) меняются со временем по гармоническому закону. Частота промышленного переменного тока – 50Гц. Источники переменного тока разнообразны по своему устройству и характеристикам. Проволочную рамку, вращающуюся в постоянном однородном магнитном поле, можно рассматривать как простейшую модель генератора переменного тока. На рис.14.3 рамка вращается вокруг вертикальной оси ОО , перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, с постоянной угловой скоростью . Угол α между вектором и нормалью меняется по закону , магнитный поток через поверхность S , ограниченную рамкой, меняется со временем, в рамке возникает ЭДС индукции.

Математический маят­ник - это материальная точка, подвешенная на невесомой и нерас­тяжимой нити, находящейся в поле тяжести Земли. Математический маятник - это идеализированная модель, правильно описывающая реальный маятник лишь при определенных условиях. Реальный ма­ятник можно считать математическим, если длина нити много больше размеров подвешенного на ней тела, масса нити ничтожна мала по сравнению с массой тела, а деформации нити настолько малы, что ими вообще можно пренебречь.

Колебательную систему в данном случае образуют нить, присо­единенное к ней тело и Земля, без которой эта система не могла бы служить маятником.

где а х – ускорение, g – ускорение свободного падения, х - смещение, l – длина нити маятника.

Это уравнение называется урав­нением свободных колебаний математического маятника. Оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда, когда выполнены следующие предположения:

2) рассматриваются лишь малые колебания маятника с небольшим углом размаха.

Свободные колебания любых систем во всех слу­чаях описываются аналогичными уравнениями.

Причинами свободных колебаний математическо­го маятника являются:

1. Действие на маятник силы натяжения и силы тяжести, пре­пятствующей его смещению из положения равновесия и заставляю­щей его снова опускаться.

2. Инертность маятника, благодаря которой он, сохраняя свою скорость, не останавливается в положении равновесия, а проходит через него дальше.

Период свободных колебаний математического ма­ятника

Период свободных колебаний математического маятника не за­висит от его массы, а определяется лишь длиной нити и ускорением свободного падения в том месте, где находится маятник.

Превращение энергии при гармонических колебаниях

При гармонических колебаниях пружинного маятника проис­ходят превращения потенциальной энергии упруго деформированного тела в его кинетическую энергию , гдеk – коэффициент упругости,х - модуль смещения маятника из поло­жения равновесия,m - масса маятника,v - его скорость. В соот­ветствии с уравнением гармонических колебаний:

, .

Полная энергия пружинного маятника:

.

Полная энергия для математического маятника:

В случае математического маятника

Превращения энергии при колебаниях пружинного маятника происходи в соответствии с законом сохранения механической энергии (). При движении маятника вниз или вверх от положения равновесия его потенциальная энергия увеличивается, а кинетическая - уменьшается. Когда маятник проходит положение равно­весия (х = 0), его потенциальная энергия равна нулю и кинетическая энергия маятника имеет наибольшее значение, равное его полной энергии.

Таким образом, в процессе свободных колебаний маятника его потенциальная энергия превращается в кинетическую, кинетическая в потенциальную, потенциальная затем снова в кинетическую и т. д. Но полная механическая энергия при этом остается неизменной.

Вынужденные колебания. Резонанс.

Колебания, происходящие под действием внеш­ней периодической силы, называются вынужден­ными колебаниями . Внешняя периодическая си­ла, называемая вынуждающей, сообщает колеба­тельной системе дополнительную энергию, которая идет на восполнение энергетических потерь, проис­ходящих из-за трения. Если вынуждающая сила изменяется во времени по закону синуса или коси­нуса, то вынужденные колебания будут гармониче­скими и незатухающими.

В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из со­стояния равновесия), в случае вынужден­ных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периоди­ческой силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на пре­одоление трения, и потому полная энергия колебательной системы no-прежнему ос­тается неизменной.

Частота вынужденных колебаний равна часто­те вынуждающей силы . В случае, когда частота вынуждающей силы υ совпадает с собственной ча­стотой колебательной системы υ 0 , происходит рез­кое возрастание амплитуды вынужденных колеба­ний - резонанс . Резонанс возникает из-за того, что при υ = υ 0 внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время сонаправлена со скоростью колеблющегося тела и совершает по­ложительную работу: энергия колеблющегося те­ла увеличивается, и амплитуда его колебаний ста­новится большой. График зависимости амплитуды вынужденных колебаний А т от частоты вынужда­ющей силы υ представлен на рисунке, этот график называется резонансной кривой:

Явление резонанса играет большую роль в ря­де природных, научных и производственных про­цессов. Например, необходимо учитывать явление резонанса при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены.

Рекомендуем почитать