Превращения энергии при колебательном движении

Маятник в процессе колебаний

При колебании маятник проходит от одной крайней точки через положение равновесия к другой. При этом периодически меняется его энергия. В крайних точках маятник какое-то непродолжительное время находится в состоянии покоя, но на него действует сила тяжести и, следовательно, он обладает некоторой потенциальной энергией.

Маятник начинает двигаться. В процессе движения он приближается к положению равновесия, увеличивается его скорость, и возрастает его кинетическая энергия, но потенциальная уменьшается.

В момент прохождения через положение равновесия его потенциальная энергия становится равной нулю, однако скорость при этом максимальна, поэтому его кинетическая энергия, соответственно, максимальна.

Под действием инерции маятник продолжает свое движение дальше, но на него действует сила тяжести, и он постепенно останавливается. При этом, его кинетическая энергия уменьшается, а возрастает потенциальная.

И по достижении крайней точки кинетическая энергия становится равной нулю, так как до нуля уменьшается скорость маятника. Потенциальная энергия при этом возрастает до своего максимального значения. Маятник начинает движение в обратном направлении, и все энергетические процессы повторяются вновь.

Так происходит циклическое превращение энергии при колебательном движении, повторяющееся каждый период колебаний. Можно записать, что при каждом прохождении от одной крайней точки до другой энергия маятника претерпевает следующие изменения: Еп→Ек→Еп→Ек→Еп→…

Почему затухающие колебания затухают?

Получается, что колебания маятник может совершать бесконечно, если ничего ему не помешает. В теории да, но на практике, даже в самых идеальных условиях над поверхностью Земли всегда присутствует атмосфера, следовательно, всегда существует сопротивление воздуха, препятствующее любому движению.

Поэтому любое колебательное движение рано или поздно остановится. Именно поэтому все свободные колебания являются затухающими.

Колебания могут происходить бесконечно только в безвоздушном пространстве при соблюдении прочих идеальных условий. В реальности никто не будет создавать такие условия, потому и ответ на наш вопрос, заданный выше, двоякий: и да, и нет. В теории да, на практике нет.

Кто вынуждает вынужденные колебания?

Так как все колебания в реальности со временем прекращаются, то для поддержания сколько-нибудь длительных колебаний, требуется сторонняя сила. В частности, в часах равномерное качание маятника поддерживают либо батарейками, либо вручную взводя специальную пружину, энергии которой хватает на некоторое время.

В таком случае говорят о вынужденных колебаниях. Постоянное стороннее воздействие «вынуждает» маятник совершать равномерные колебания. В самых различных колебательных системах используют самые различные механические и электрические приспособления для поддержания процесса колебаний.

Нужна помощь в учебе?