Какую систему тел можно считать колебательной. Свободные колебания

(или собственные колебания ) — это колебания колебательной системы, совершаемые только благодаря первоначально сообщенной энергии (потенциальной или кинети-ческой) при отсутствии внешних воздействий.

Потенциальная или кинетическая энергия может быть сообщена, например, в механических системах через начальное смещение или начальную скорость.

Свободно колеблющиеся тела всегда взаимодействуют с другими телами и вместе с ними обра-зуют систему тел, которая называется колебательной системой .

Например, пружина, шарик и вертикальная стойка, к которой прикреплен верхний конец пружины (см. рис. ниже), входят в колебательную систему. Здесь шарик свободно скользит по струне (силы трения пренебрежимо малы). Если отвести шарик вправо и предоставить его самому себе, он будет совершать свободные колебания около положения равновесия (точки О ) вследствие действия силы упругости пружины, направленной к положению равновесия.

Другим классическим примером механической колебательной системы является математический маятник (см. рис. ниже). В данном случае шарик совершает свободные колебания под действием двух сил: силы тяжести и силы упругости нити (в колебательную систему входит также Земля). Их равнодействующая направлена к положению равновесия.

Силы, действующие между телами колебательной системы, называются внутренними силами . Внешними силами называют-ся силы, действующие на систему со стороны тел, не входящих в нее. С этой точки зрения свобод-ные колебания можно определить как колебания в системе под действием внутренних сил после того, как система выведена из положения равновесия.

Условиями возникновения свободных колебаний являются:

1) возникновение в них силы, возвращающей систему в положение устойчивого равновесия, после того как ее вывели из этого состояния;

2) отсутствие трения в системе.

Динамика свободных колебаний.

Колебания тела под действием сил упругости . Уравнение колебательного движения тела под действием силы упругости F () может быть получено с учетом второго закона Ньютона (F = mа ) и закона Гука (F упр = -kx ), где m — масса шарика, а — ускорение, приобретаемое шариком под действием силы упругости, k — коэффициент жесткости пружины, х — смещение тела от положения равновесия (оба уравнения записаны в проекции на горизонтальную ось Ох ). Приравнивая правые части этих уравнений и учитывая, что ускорение а — это вторая производная от координаты х (смещения), получим:

.

Аналогично выражение для ускорения а получим, дифференцируя (v = -v m sin ω 0 t = -v m x m cos (ω 0 t + π/2) ):

a = -a m cos ω 0 t,

где a m = ω 2 0 x m — амплитуда ускорения. Таким образом, амплитуда скорости гармонических коле-баний пропорциональна частоте, а амплитуда ускорения — квадрату частоты колебания.

Колебательное движение + §25, 26, Упр 23.

Колебания являются очень распространенным видом движения. Колебательные движения вы наверняка хоть раз в жизни видели в качающемся маятнике часов или ветки деревьев на ветру. Скорее всего, вы хотя бы однажды дергали за струны гитары и видели, как они вибрируют. Очевидно, что даже если вы не видели воочию, то хотя бы представляете себе, как двигается игла в швейной машинке или поршень в двигателе.

Во всех перечисленных случаях мы имеем какое-либо тело, периодически совершающее повторяющиеся движения. Вот именно такие движения и называются в физике колебаниями или колебательными движениями. Колебания встречаются в нашей жизни очень и очень часто.

Звук – это колебания плотности и давления воздуха, радиоволны – периодические изменения напряженностей электрического и магнитного полей, видимый свет – тоже электромагнитные колебания, только с несколько иными длиной волны и частотой.
Землетрясения – колебания почвы, приливы и отливы – изменение уровня морей и океанов, вызываемое притяжением Луны и достигающее в некоторых местностях 18 метров, биение пульса – периодические сокращения сердечной мышцы человека и т.д.
Смена бодрствования и сна, труда и отдыха, зимы и лета... Даже наше каждодневное хождение на работу и возвращение домой попадает под определение колебаний, которые трактуются как процессы, точно или приближенно повторяющиеся через равные промежутки времени.

Колебания бывают механические, электромагнитные, химические, термодинамические и различные другие. Несмотря на такое разнообразие, все они имеют между собой много общего и поэтому описываются одними и теми же уравнениями.

Главная общая характеристика периодически повторяющиеся движения - эти движения повторяются через равные промежутки времени, называющиеся периодом колебания.

Подведем итоги: механические колебания – это движения тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени.

Специальный раздел физики – теория колебаний – занимается изучением закономерностей этих явлений. Знать их необходимо судо- и самолетостроителям, специалистам промышленности и транспорта, создателям радиотехнической и акустической аппаратуры.

В процессе совершения колебаний тело все время стремится к положению равновесия. Колебания и возникают по причине того, что кто-то или что-то отклонили данное тело от его положения равновесия, придав, таким образом, телу энергию, которая и обусловливает его дальнейшие колебания.

Колебания, которые происходят только вследствие этой изначальной энергии, называют свободными колебаниями. Это означает, что им не требуется постоянная помощь со стороны для поддержания колебательного движения.

Большинство колебаний в реальности жизни происходят с постепенным затуханием, вследствие сил трения, сопротивления воздуха и так далее. Поэтому часто свободными колебаниями называют такие колебания, постепенными затуханиями которых на время наблюдений можно пренебречь.

При этом все тела, связанные и непосредственно участвующие в колебаниях, называют в совокупности колебательной системой . В общем случае обычно говорят, что колебательная система – это система, в которой могут существовать колебания.

В частности, если колеблется на нити свободно подвешенное тело, то в колебательную систему войдет само тело, подвес, то к чему крепится подвес и Земля с ее притяжением, которое и заставляет тело колебаться, постоянно возвращая в состояние покоя.

Такое тело является маятником. В физике различают несколько типов маятников нитяные, пружинные и некоторые другие. Все системы, в которых колеблющееся тело или его подвес можно условно представить в виде нити, являются нитяными. Если этот шарик сместить в сторону от положения равновесия и отпустить, то он начнет колебаться , т. е. совершать повторяющиеся движения, периодически проходя через положение равновесия.

Ну а пружинные маятники, как легко догадаться, состоят из тела и некой пружины, способной колебаться под действием силы упругости пружины.

Главной моделью для наблюдения колебаний выбран так называемый математический маятник. Математическим маятником называют тело небольших размеров (по сравнению с длиной нити), подвешенное на тонкой нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела. Проще говоря, в своих рассуждениях мы вообще не учитываем нить маятника.

Какими же свойствами должны обладать тела, чтобы мы могли смело могли сказать, что они составляют колебательную систему, и мы можем ее описать теоретически и математически.

Ну а как колебательное движение происходит для нитяного маятника подумайте сами.

Как подсказка – картинка.

Механические колебания – это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени. (например, колебание ветки на дереве, маятника часов, автомобиля на рессорах и так далее )

Колебания бывают свободными и вынужденными .

Колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил, называются свободными . Все свободные колебания затухают. (например: колебание струны, после удара )

Колебания, совершаемые телами под действием внешних периодически изменяющихся сил, называются вынужденными (например: колебание металлической заготовки при работе кузнеца молотом ).

Условия возникновения свободных колебаний :

• При выведении тела из положения равновесия в системе должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия;
• Силы трения в системе должны быть очень малы (т.е. стремиться к нулю).

… Е кин → Е р → Е кин →…

На примере колебаний тела на нити видим превращение энергии . В 1 положении наблюдаем равновесие колебательной системы. Скорость и, следовательно, кинетическая энергия тела максимальны. При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией Е р . При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия Е р превратится в кинетическую энергию Е кин . В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия по инерции происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном

Общие свойства всех колебательных систем:

Наличие положения устойчивого равновесия.

Наличие силы, возвращающей систему в положение равновесия.

Характеристики колебательного движения:

Амплитуда - наибольшее (по модулю) отклонение тела от положения равновесия.

Период - промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание.

Частота - число колебаний в единицу времени.

Фаза (разность фаз)

Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называются волнами .

Необходимым условием возникновения волны является появление в момент возникновения возмущения препятствующих ему сил, например сил упругости.

Виды волн:

Продольная - волна, в которой колебания происходят вдоль направления распространения волны

Поперечная - волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Характеристики волны:

Длина волны - расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

Скорость волны - величина численно равная расстоянию, которое за единицу времени проходит любая точка волны.

Звуковые волны - это продольные упругие волны. Ухо человека воспринимает в виде звука колебания с частотой от 20 Гц до 20000 Гц.

Источник звука - тело, колеблющееся со звуковой частотой.

Приемник звука - тело способное воспринимать звуковые колебания.

Скорость звука - расстояние, на которое распространяется звуковая волна за 1 секунду.

Скорость звука зависит от:

1. Температуры.

Характеристики звука:

1. Высота тона

   Амплитуда

   Громкость. Зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Билет №9. Модели строения газов, жидкостей и твердых тел. Тепловое движение атомов и молекул. Броуновское движение и диффузия. Взаимодействие частиц вещества

Молекулы газа, двигаясь во всех направлениях, почти не притягиваются друг к другу и заполняют весь сосуд. В газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. Поскольку в среднем расстояния между молекулами в десятки раз больше размера молекул, то они слабо притягиваются друг к другу. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объема.

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем. Молекулы жидкости расположены близко друг к другу. Расстояния между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул, поэтому притяжение между ними становится значительным.

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) еще больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем. В твердых телах молекулы (атомы) расположены в определенном порядке. Это лед, соль, металлы и др. Такие тела называются кристаллами. Молекулы или атомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Твердое тело потому сохраняет не только объем, но и форму.

Т.к. со скоростью движения молекул связана его t, то хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением . Тепловое движение отличается от механического тем, что в нем участвует множество молекул и каждая движется беспорядочно.

Броуновское движение – это беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Открыто и впервые исследовано в 1827 г. английским ботаником Р. Брауном как движение цветочной пыльцы в воде, видимое при сильном увеличении. Броуновское движение не прекращается.

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией .

Между молекулами вещества существует взаимное притяжение. Между молекулами вещества в то же время существует отталкивание.

На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении отталкивание.

Билет № 10. Тепловое равновесие. Температура. Измерение температуры. Связь температуры со скоростью хаотического движения частиц

Две системы находятся в состоянии теплового равновесия, если при контакте через диатермическую перегородку параметры состояния обеих систем не изменяются. Диатермическая перегородка совершенно не препятствует тепловому взаимодействию систем. При тепловом контакте две системы приходят в состояние теплового равновесия.

Температура - физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Температура - физическая величина, характеризующая степень нагрева тела.

Температура измеряется с помощью термометров. Основные единицы измерения температуры - это Цельсий, Фаренгейт и Кельвин

Термометр - устройство, используемое для измерения температуры данного тела путем сравнения с опорными значениями, условно выбранными за точки отсчета и позволяющими установить шкалу измерений. При этом в разных термометрах используются разные связи между температурой и каким-то наблюдаемым свойством прибора, которое можно считать линейно зависящим от температуры.

При увеличении температуры средняя скорость движения частиц увеличивается.

При уменьшении температуры средняя скорость движения частиц уменьшается.

Билет №11. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела .

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей.

теплопередачей .

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается. С понижением температуры внутренняя энергия тела уменьшается. Внутренняя энергия тела увеличивается при совершении над ним работы.

Механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

Этот вывод справедлив для всех тепловых процессов. При теплопередаче, например, тело более нагретое отдает энергию, а тело менее нагретое получает энергию.

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается настолько, насколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

Билет № 12. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей .

Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью .

При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.

Излучение - процесс передачи теплоты путем лучеиспускания.

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что она может осуществляться в полном вакууме.

Примеры теплопередачи в природе и технике:

Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба.

Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу с моря перемещается к берегу - дует ветер. Это и есть дневной бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз - движение холодного воздуха от суши к морю.

Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку, в печь, в трубу самовара не будет поступать воздух, то горение топлива прекратится. Обычно используют естественный приток воздуха - тягу. Для создания тяги над топкой, например в котельных установках фабрик, заводов, электростанций, устанавливают трубу. При горении топлива воздух в ней нагревается. Значит, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый поднимается вверх - образуется тяга.

Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

Отопление и охлаждение жилых помещений. Жители стран, расположенных в умеренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свое жилище. В странах, расположенных в тропических и субтропических поясах, температура воздуха даже в январе достигает + 20 и +30 о С. Здесь применяют устройства, охлаждающие воздух в помещениях. И нагревание, и охлаждение воздуха в помещениях основано на конвекции.

Охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Ведь холодный воздух имеет плотность большую, чем теплый, и поэтому будет опускаться.

Обогревательные приборы располагают внизу. Во многих современных больших домах устраивают водяное отопление. Циркуляция воды в нем и прогревание воздуха в помещении происходят за счет конвекции.

Если установка для обогревания здания находится в нем самом, то в подвальном этаже устанавливают котел, в котором нагревают воду. По вертикальной трубе, отходящей от котла, горячая вода поднимается в бак, который обычно помещают на чердаке дома. От бака проводят систему распределительных труб, по которым вода проходит в радиаторы, устанавливаемые на всех этажах, она отдает им свое тепло и возвращается в котел, где снова подогревается. Так происходит естественная циркуляция воды - конвекция.