Физика. Физические основы механики. Молекулярная физика и термодинамика электростатика. Постоянный ток (стр. 5 )

Формула для периода справедлива в случае, когда масса пружины мала по сравнению с массой груза.

Физический маятник – твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси О, не проходящей через центр масс тела С (рис.10).

Малые колебания физического маятника описываются дифференциальным уравнением

или

рис.10

где – расстояние ОС, – угол отклонения маятника.

– момент инерции тела относительно оси, проходящей через

точку О.

Решение этого уравнения имеет вид:

,

– приведенная длина маятника

Точка на продолжении прямой ОС, отстоящая от точки подвеса маятника на расстоянии приведенной длины, называется центром качения физического маятника. Точки О и взаимозаменяемы.

Математический маятник – материальная точка массой , подвешенная на нерастяжимой невесомой нити, колеблющаяся под действием силы тяжести.

Практически приближением такой идеализованной системы являются небольшой тяжелый шарик, подвешенный на тонкой нити длиной .

Период малых колебаний математического маятника

Приведенная длина физического маятника – это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физического маятника.

Затухающие колебания – колебания с уменьшающейся амплитудой (рис.11).

рис.11

Амплитуда уменьшается из-за совершения работы по преодолению сил трения среды.

Если сила трения (сила сопротивления) пропорциональна скорости тела,

где – коэффициент трения,

то дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид:

или

Решение уравнения:

Амплитуда затухающих колебаний – .

Коэффициент затухания , циклическая частота колебаний при этом

Характеристики затухающих колебаний – декремент затухания, логарифмический декремент затухания, коэффициент затухания.

Декремент затухания показывает во сколько раз амплитуда колебаний уменьшается за один период Т, т. е.

Натуральный логарифм декремента называется логарифмическим декрементом затухания

– число колебаний, за которое амплитуда уменьшается в е раз.

Коэффициент затухания – величина, обратная промежутку времени, за которое амплитуда уменьшается в е раз.

Добротность колебательной системы

Добротность определяется отношением энергии колебательной системы, которую она имеет в момент времени , к убыли энергии за период. Чем выше добротность колебательной системы, тем медленнее затухают колебания.

Вынужденные колебания – колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

– частота колебаний вынуждающей силы.

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний

рис.12

На рис.12 изображен график вынужденных колебаний. Амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты вынуждающей силы.

При некотором значении , близком к собственной частоте колеблющейся системы , амплитуда резко возрастает, т. е. наблюдается резонанс. Кривая зависимости амплитуды от частоты вынужденных колебаний называется резонансной кривой

(см. рис.13).

рис.13

Волны

1.  Волновые процессы. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волновым процессом (волной).

Если колеблющееся тело (камертон, струна, мембрана и т. д.), находится в упругой среде, то оно приводит в колебательное движение соприкасающиеся с ним частицы среды, вследствие чего в прилегающих к этому телу элементах среды возникают периодические деформации (например, сжатия и растяжения). При этих деформациях в среде появляются упругие силы, стремящиеся вернуть элементы среды в исходное состояние. Упругие деформации будут передаваться от одних участков среды к другим, более удаленным от источника колебаний.

Таким образом, периодические деформации, вызванные в каком-нибудь месте упругой среды, будут распространяться в среде с некоторой скоростью. При этом частицы среды, совершают колебательные движения около положений равновесия;

от одних участков к другим передается лишь состояние деформации.

Основным свойством волн является перенос энергии без переноса вещества.

Упругие волны бывают продольными и поперечными. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердом теле – как продольные, так и поперечные.

Синусоидальные (гармонические) волны. Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими. На рис.14 приведен график гармонической волны в момент времени t.

рис.14

Этот график дает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до колеблющегося тела и времени.

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны . Ее можно определить по формуле

– период колебаний; – скорость волны.

Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Фаза волны – геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t (одна из волновых поверхностей).

Фазовая скорость – это скорость распространения волнового процесса.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейшем случае они представляют совокупность плоскостей, параллельных друг другу, или совокупность концентрических сфер. Соответственно волна называется плоской или сферической.

Уравнение волны. Распространение волн в однородной изотропной среде описывается дифференциальным уравнением в частных производных

– скорость распространения волны (фазовая скорость);

– определяет смещение частицы среды от положения равновесия.