Теория:
Для начала свободных колебаний необходим первоначальный внешний импульс, чтобы вывести колебательную систему из состояния равновесия.
По мере совершения колебаний энергия будет расходоваться на преодоление сил сопротивления — трение в подвесе, сопротивление воздуха, и амплитуда будет постепенно уменьшаться. Спустя некоторые время механическая энергия полностью перейдёт во внутреннюю и колебания прекратятся. Поэтому все свободные колебания являются затухающими.
Обрати внимание!
Для того, чтобы обеспечить постоянную амплитуду и сделать колебания незатухающими, необходима подача энергии извне в течение каждого периода колебаний.
Чтобы осуществить подачу энергии, нужно регулярно прикладывать силу и вынуждать колебания продолжаться. Как пример можно рассмотреть качели (рис. \(1\)): подталкивая их, мы не даем им остановиться.
Рис. \(1\). Вынужденные колебания качелей
Вынужденными колебаниями называются колебания, совершаемые телом под действием внешней периодически изменяющейся силы.
Вынуждающей силой является периодическая внешняя сила, влияющая на колебания.
В примере с качелями вынуждающей силой является отталкивание качелей со стороны второго человека. Для того, чтобы колебания оставались гармоническими, направление действия силы должно быть в одном и том же направлении и в одной и той же точке колебания.
- Если подталкивать качели в разных точках и в разные стороны, то периодичность колебаний можно нарушить.
- Если значение вынуждающей силы увеличивать, то можно получить резкое возрастание амплитуды колебаний — явление резонанса колебаний.
Для установления постоянных амплитуды и частоты вынужденных колебаний необходимо время.
Установившимися вынужденными колебаниями называют гармонические колебания с частотой вынуждающей силы.
Перемешивая ложкой напитки в чашке, мы заставляем частицы жидкости совершать колебания с частотой вращения ложки. Газ в двигателе внутреннего сгорания поддерживает колебание поршня (рис. \(2\)). Источник вынуждающей силы задаёт частоту колебаний всей системы.
Рис. \(2\). Двигатель внутреннего сгорания
Незатухающими колебаниями называют гармонические колебания с постоянной амплитудой.
Действие вынуждающей силы компенсирует потери энергии, поэтому энергия колебания сохраняется.
Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счёт периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах — автоколебаниями.
В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента — колебательная система, источник энергии и устройство обратной связи между колебательной системой и источником.
В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания (например, маятник настенных часов).
Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести.
Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника.
Пример:
в часовом механизме с анкерным ходом обратная связь осуществляется за счет взаимодействия анкера с ходовым колесом (рис. \(3\)), позволяя закручивать гирю на цепь, что позволяет маятнику часов колебаться.
Рис. \(3\). Маятник часов
Источники:
Рис. 1. Вынужденные колебания качелей. © ЯКласс.
Рис. 2. Двигатель внутреннего сгорания. © ЯКласс.
Рис. 3. Маятник часов. © ЯКласс.