Выше мы говорили о свободных колебаниях, т. е. о периодических движениях, которые совершаются колебательной системой, если ее вывести из состояния равновесия и затем предоставить самой себе. Но мы уже упоминали и о таких случаях, когда периодическое движение тела происходит не свободно, а в результате действия периодически меняющейся силы. Подобные повторяющиеся силы вызывают периодическое движение даже таких тел, которые сами не являются колебательными системами. Вспомним, например, периодическое открывание и закрывание двери или движение иглы в швейной машине. Нетрудно заметить, что период движения, вызванного периодически меняющейся силой, равен периоду силы.
Но как будет обстоять дело в том случае, если периодическая сила действует на колебательную систему? Ведь у колебательной системы есть свой собственный период, т. е. период собственных колебаний, а сила может меняться с каким-либо другим периодам. Каков же будет период движения?
Возьмем в качестве колебательной системы груз, висящий на пружине, и подвесим этот пружинный маятник на конце нити того механизма (рис. 25), который был описан в § 5. При равномерном вращении ручки движение точки подвеса маятника позволяет нам осуществить действие на маятник гармонической силы. Период изменения этой силы равен, очевидно, периоду вращения ручки.
Когда мы начинаем равномерно вращать ручку, груз приходит в движение, которое первоначально бывает довольно сложным. Но спустя несколько оборотов мы увидим, что движение груза стало правильным периодическим колебанием. При этом, с какой бы скоростью мы ни вращали ручку, установившееся колебание груза будет происходить с периодом, равным периоду вращения ручки. Таким образом:
1) в колебательной системе, на которую действует периодически меняющаяся сила, устанавливается периоди-
Рис. 25. Вынужденные колебания груза на пружине неское движение; в отличие от собственных колебаний периодические движения такого рода называются вынужденными колебаниями; 2) период вынужденных колебаний равен периоду действующей силы.
Из-за наличия трения и других потерь энергии свободные колебания, как мы видели, затухают. Они являются незатухающими лишь в идеальном случае полного отсутствия всякого трения (собственные колебания). Вынужденные же колебания, несмотря на наличие трения, являются действительно периодическими, повторяющимися все время, пока действует периодическая сила. Это объясняется тем, что при вынужденных колебаниях энергия, затрачиваемая на трение, восполняется непрерывно за счет работы действующей на систему периодической силы, тогда как при свободных колебаниях запас энергии сообщается системе только в начале движения, и движение продолжается лишь до тех пор, пока этот запас не исчерпается.
Но как будет обстоять дело в том случае, если периодическая сила действует на колебательную систему? Ведь у колебательной системы есть свой собственный период, т. е. период собственных колебаний, а сила может меняться с каким-либо другим периодам. Каков же будет период движения?
Возьмем в качестве колебательной системы груз, висящий на пружине, и подвесим этот пружинный маятник на конце нити того механизма (рис. 25), который был описан в § 5. При равномерном вращении ручки движение точки подвеса маятника позволяет нам осуществить действие на маятник гармонической силы. Период изменения этой силы равен, очевидно, периоду вращения ручки.
Когда мы начинаем равномерно вращать ручку, груз приходит в движение, которое первоначально бывает довольно сложным. Но спустя несколько оборотов мы увидим, что движение груза стало правильным периодическим колебанием. При этом, с какой бы скоростью мы ни вращали ручку, установившееся колебание груза будет происходить с периодом, равным периоду вращения ручки. Таким образом:
1) в колебательной системе, на которую действует периодически меняющаяся сила, устанавливается периоди-
Рис. 25. Вынужденные колебания груза на пружине
неское движение; в отличие от собственных колебаний периодические движения такого рода называются вынужденными колебаниями;
2) период вынужденных колебаний равен периоду действующей силы.
Из-за наличия трения и других потерь энергии свободные колебания, как мы видели, затухают. Они являются незатухающими лишь в идеальном случае полного отсутствия всякого трения (собственные колебания). Вынужденные же колебания, несмотря на наличие трения, являются действительно периодическими, повторяющимися все время, пока действует периодическая сила. Это объясняется тем, что при вынужденных колебаниях энергия, затрачиваемая на трение, восполняется непрерывно за счет работы действующей на систему периодической силы, тогда как при свободных колебаниях запас энергии сообщается системе только в начале движения, и движение продолжается лишь до тех пор, пока этот запас не исчерпается.
Объяснение:
В работе рассматривается движение абсолютно твердого тела.
Поступательное движение – это такое движение, при котором прямая, соединяю-
щая две любые точки тела, остается параллельной самой себе.
Основной закон динамики поступательного движения – второй закон Ньютона:
dp F
dt
=
,
где F
– равнодействующая всех сил, действующих на тело, dp
dt
– производная импульса
по времени.
Для тел, скорость движения которых v
значительно меньше скорости света,
p mv
=
и
dv
F m ma
dt
= =
, (1)
где m – масса тела, a
– его ускорение ([1] § 6).
Вращательным движением называется такое движение, при котором все точки те-
ла движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называе-
мой осью вращения. Основные характеристики кинематики вращательного движения:
угол поворота ϕ , угловая скорость ω , угловое ускорение ε . Эти величины связаны меж-
ду собой и с характеристиками поступательного движения ([1] §§1-4).
При изучении динамики вращения твердого тела пользуются понятиями момента
силы M
, момента импульса L
и момента инерции I .
Моментом силы M
относительно точки О называется векторное произведение
радиус-вектора r и силы F
:
M rF
=
,