Тема1.1.5. Механические колебания. Период и частота колебаний. Механические волны. Свойства волн. План

1. Общие сведения о механических колебаниях.

2. Амплитуда, период, частота колебаний.

3. Превращение энергии при колебаниях.

4. Виды колебаний:

А) свободные колебания;

Б) вынужденные колебан

5) Механические волны, характеристика волн.

1) Колебания широко распространены в природе и в технике. Движение маятника часов , биение сердца , звук, свет, переменный электрический ток, движение поршня двигателя и.т.д - все это примеры колебательных движений.

Механическими колебаниями называются движения тел, точно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. Колебательную систему в не зависимости от ее физической природы , часто называют осциллятором (от лат.oscilliumколебание).Подвешенный на длинной нити небольшой колеблющийся груз, называемый математическим маятником , груз колеблющийся на пружине, называемым пружинным маятником, являются примерами осцилляторов. В приведенных примерах осцилляторов, отсутствует внешний источник энергии, то есть колебания происходят свободно.

2) Колебательное движение характеризуют амплитудой, периодом и частотой колебаний:

А – амплитуда; Т – период; v-частота.

Амплитуда колебаний – это максимальное расстояние , на которое удаляется колеблющееся тело от своего положения равновесия. Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины – метрах, сантиметрах и т.д. Период колебаний – это время, за которое совершается одно колебание . Период колебаний измеряется в единицах времени в секундах, минутах и т.д.

Частота колебаний – это число колебаний совершаемых за 1 с.Единица частоты в СИ названа герцем (Гц) в честь немецкого физика Г.Герца (1857-1894).

1. чтобы найти период колебаний, надо время t за которое совершено несколько колебаний , разделить на число n этих колебаний :

T= t/n

2. Чтобы найти частоту колебаний , надо число колебаний разделить на время , в течении которого они произошли :

v=n/t

Период и частота колебаний – величины взаимно обратные, т.е.

T=1/v , v=1/T

В процессе колебаний положение тела непрерывно меняется .

3) Из-за сопротивления воздуха колебание маятника является затухающими : их амплитуда постепенно уменьшается и в конце концов останавливается .

Если, однако , сопротивления воздуха мало, то на протяжении небольших интервалов времени его можно не учитывать . в этом случае к маятнику можно применять закон сохранения энергии: полная механическая энергия тела , на которое не действуют силы трения и сопротивления , в процессе его движения остается неизменной.

Рассмотрим для примера нитяной маятник. Когда его выводят из положения равновесия, то сообщает ему некоторую потенциальную энергию. После начала колебаний, когда маятник, разгоняясь устремляется по дуге, его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает. В среднем положении кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна (равна нулю).

Принято говорить , что в процессе колебания маятника его потенциальная энергия периодически превращается в кинетическую, а кинетическая в потенциальную .

4) Колебания пружинного и нитяного маятников называют свободными. Свободные колебания происходят « сами по себе», без воздействия внешних периодически изменяющихся сил. При наличии таких сил колебания называют вынужденными.

Тряска автомобиля движущегося по неровной дороге, движения качелей, которые кто-то периодически подталкивает,- это все вынужденные колебания .

Несмотря на внешнюю схожесть, между свободными и вынужденными колебаниями есть существенные различия.

Из-за наличия трения и сопротивления среды свободные колебания затухают: их энергия и амплитуда с течением времени уменьшается. Вынужденные колебания являются незатухающими: энергетические потери в процессе этих колебаний компенсируются поступлением энергии от источника внешней силы.

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при v=v называется резонансом.

Резонанс возникает из-за того что внешняя сила , действует в такт со свободными колебаниями тела , все время совершает положительную работу . За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается и амплитуда колебаний возрастает . Явление резонанса может играть как полезную так и вредную роль .

5.Волна-это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

Механические волны бывают поперечными и продольными: на верхнем чертеже вы видите поперечную волну, а на нижнем - продольную. Обе они бегут вправо. Однако частицы среды на верхнем чертеже колеблются верх – вниз а на нижнем – влево – вправо. Другими словами, колебание частиц поперечной волны происходят перпендикулярно (поперек) направлению распространения волны, а колебание частиц продольной волны – вдоль этого направления. Продольные волны-это периодические сгущения и разрежения среды. Поэтому такие волны могут существовать в любых телах-твердых,жидких,газообразных. Поперечные волны могут существовать лишь в твердых телах. Это объясняется тем, что для распространения необходимо «жесткое» расположение частиц среды, чтобы между ними могли возникать силы упругости.

Познакомимся с величинами, которыми принято характеризовать волны. Физическая величина, равная отношению длины волны ( ) к периоду колебаний ее частиц (Т), называется скоростью волны.

Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, находящимися в одинаковом состоянии, называются длиной волны.

Волна также обладает импульсом и переносит импульс через пространство. Это свойство характерно для волн любой природы. Помимо импульса волны обладают энергией и переносят энергию через пространство. То, что электромагнитная волна, приходящая к нам от Солнца, снабжает нас энергией, необходимой для жизни, всем известно. Однако энергией обладают любые волны. В последнее время ведутся активные работы по использованию энергии морских волн для производства электроэнергии

Контрольные вопросы.

1) Дайте понятие механическим колебаниям, приведите пример.

2) Дайте характеристику колебательным движениям.

3) Почему затухают колебания маятника?

4) Какие превращения энергии происходят при незатухающих колебаниях маятника?

5) Какие вы знаете виды колебаний, приведите пример.

6) Что такое резонанс?

7) Что такое волна, чем отличаются упругие волны от волн на поверхности жидкости?

8) Какие волны называют продольными и поперечными?