Авиатехника, Железнодорожная техника, Автотехника, Водная техника, Космическая техника, Военная техника, Сельскохозяйственная техника, Бытовая техника, Радиоэлектроника, Электрика, Энергетика, Механика, Мебель своими руками, Строительство, Ремонт, Приусадебное хозяйство, Инструменты, Полезные советы, Конструктор-конструктору, Технические статьи, Исторические хроники, Неопознанное, Из области фантастики, Полезные ссылки, Обмен ссылками, Размещение статей, рекламы
 

Картины современной физики

Дата создания сайта: 24/02/2013

Движение и силы

7. Колебания и волны

Энергия была открыта не вдруг и не без подготовки; различные ее проявления и важная роль давно и хорошо известны людям на практике. Однако энергия наблюдалась не как свободное и самостоятельное явление природы, а как свойство движущихся тел. Она скрывалась в тяжести опускающегося молота, в низвергающемся потоке воды и даже в мышцах работающей лошади. Казалось, энергия связана только с движущимися телами, и только там, где имеются движущиеся (или легко приходящие в движение) массы, существует энергия. Мысль о том, что энергия может самостоятельно перемещаться, собираться в замкнутых сосудах или передаваться по тонким проводам из одного города в другой, показалась бы в то время абсурдной.

Сейчас мы все давно привыкли к таким вещам и подчас не задумываемся, насколько интересно само понятие энергии. Возникает вопрос: каким образом можно передавать энергию из одного места в другое, если она не связана ни с какими движущимися телами? Ответ на него мы получим в ходе нескольких экспериментов, которые проведем с двумя висящими рядом математическими маятниками равной длины. Небольшой щелчок приводит их в состояние колебательного движения, которое мы рассмотрели в предыдущем разделе.

Рис. 8. Синфазные колебания маятников

Число колебаний, совершаемых в единицу времени, называется частотой и обозначается f Соединим далее маятники нитью, которая слегка стягивает их друг с другом. Теперь число возможностей привести маятники в состояние движения увеличилось. Сначала поднимем одновременно оба маятника на одинаковую высоту и затем отпустим. Они будут колебаться в такт друг с другом [или, как говорят, синфазно (рис. 8)]. Держа в руках часы, мы можем установить частоту f, колебаний.

Затем разведем маятники в противоположные стороны и вновь поднимем их на одинаковую высоту (рис. 9). Тогда мы получим антифазные колебания, причем они следуют несколько чаще, чем синфазные, поскольку нити подвеса в этом случае сильнее отклоняются от вертикального положения, так что их эффективная длина уменьшается. По часам мы может также заметить, что частота f2 антифазных колебаний выше частоты f1

В третьем опыте (рис. 10) мы поступим совсем просто: придерживая правый маятник, немного подтолкнем левый. Если после этого отпустить и правый маятник, начнется очень интересная "игра с обменом". Как бы увлекаемый левым маятником, правый начинает колебаться. Амплитуда, или размах, этих колебаний постепенно увеличивается, в то время как у левого маятника, наоборот, уменьшается. В конце концов левый маятник приходит в состояние покоя, передав всю свою энергию правому. Далее все происходит в обратном порядке; правый маятник постепенно останавливается, а левый снова начинает колебаться. Происходит непрерывный процесс обмена энергией. Она "перетекает" от одного маятника к другому, и в этом нет ничего таинственного. Совершенно очевидно, что роль связи здесь играет горизонтальная нить. При каждом колебании благодаря этой связи небольшая часть импульса и одновременно небольшая доля энергии движения одного маятника переносятся к другому. Таким образом, мы получили первый ответ на вопрос о передаче энергии: эта передача происходит механическим пу тем с помощью промежуточного связующего элемента.

Рис. 9. Антифазные колебания маятников.

Рис. 10. Обмен энергией между двумя колеблющимися маятниками

Рис. 11. Запись колебаний двух связанных маятников, изображенных на рис. 10.

На будущее заметим, между прочим, что этот процесс медленного нарастания колебаний маятника, сменяющийся их полным отсутствием, носит название биений (рис. 11). Его можно представить себе как наложение колебаний с обеими основными частотами f1 и f2; причем частота биений равна

Fb= =f2-f1.

Воодушевленные успехом нашего простого опыта, попытаемся теперь подвесить уже не два маятника, а целую цепочку маятников. Однако давайте лучше прочно прикрепим к дверной ручке резиновый жгут длиной в несколько метров и возьмем в руки его свободный конец. Легким усилием приведем конец жгута в движение снизу вверх. Теперь мы увидим нечто новое - волну (рис. 12). Первоначально созданный "гребень" волны быстро побежит до противоположного конца, а затем вернется оттуда в наши руки, чтобы затем убежать вновь.

Рис. 12. Отражение упругой волны от жесткого препятствия

По существу, здесь происходит то же, что и в опыте с двумя маятниками. Представим себе, что фактически жгут состоит из чрезвычайно малых участков, соединенных в виде цепочки. Каждый такой участок весьма прочно, но в то же время упруго связан со своими соседями. Таким образом, движение может просто и быстро передаваться от одного участка к другому. Первый толчок, сообщающий концу жгута движение вверх, передается рядом лежащим участкам жгута, находившимся до этого в покое. Из-за наличия непосредственной связи между участками дальнейший процесс происходит непрерывно. Одновременно с волной вдоль жгута перемещается также энергия движения. Скорость этого перемещения не слишком велика, и мы можем легко оценить ее.

Мы намеренно описали весь процесс столь подробно, чтобы подчеркнуть существенные черты волнового движения. Оно выглядит так, будто волна всегда "привязана" к системе, отдельные частицы которой могут совершать колебания. Однако если в случае двух связанных маятников можно было четко различить колеблющиеся части и соединяющую их связь, то в волне это сделать не так просто: все ее элементы составляют непрерывную (сплошную) среду. Однако и здесь перенос энергии осуществляется механическим путем. Сами частицы не перемещаются вместе с волной, они лишь передают энергию движения своим соседям. Подобный процесс происходит при распространении волн во всех материальных средах: волн на воде, звуковых волн в воздухе, а также сейсмических волн, которые выходят из очага землетрясения и огибают земную поверхность или пересекают ядро Земли.

Читать книгу: картины современной физики

p.s. При копировании материалов и фотографий активная ссылка на сайт обязательна.

Рубрикатор размещенных статей

На главную страницу

Авиатехника, Железнодорожная техника, Автотехника, Водная техника, Космическая техника, Военная техника, Сельскохозяйственная техника, Бытовая техника, Радиоэлектроника, Электрика, Энергетика, Механика, Мебель своими руками, Строительство, Ремонт, Приусадебное хозяйство, Инструменты, Полезные советы, Конструктор-конструктору, Технические статьи, Исторические хроники, Неопознанное, Из области фантастики, Полезные ссылки, Обмен ссылками, Размещение статей, рекламы
 

Смотрите также интересные ссылки:
Автохимия для авто  Мойка вагонов, разработки для железнодорожного транспорта и метрополитена  Бесконтактная мойка авто и транспорта  Средства для Ультразвука и ультразвуковых ванн   Дезинфицирующие средства