Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота

Имея под руками тригонометрические таблицы и зная период и амплитуду, легко вычислить величину смещения точки и по значению фазы сообразить, в какую сторону точка движется.

Нетрудно вывести формулу колебательного движения, рассматривая движение тени, отбрасываемой на стенку грузиком, движущимся по окружности.

Смещения тени мы будем откладывать от среднего положения. В крайних положениях смещение y равняется радиусу круга a . Это амплитуда колебания тени.

Если от среднего положения грузик прошел по окружности угол φ, то его тень (рис. 44) отойдет от средней точки на величину a sin φ.

Пусть период движения грузика (являющийся, конечно, и периодом колебания тени) есть T ; это значит, что 2π радиан грузик проходит за время T . Можно составить пропорцию φ/ t = 2π/ T , где t – время поворота на угол φ.

Таким образом, φ = 2π t / T и y = a sin 2π t / T . Это мы и хотели доказать.

Скорость колеблющейся точки также меняется по закону синуса. К такому заключению нас приведет то же рассуждение о движении тени грузика, описывающего окружность. Скорость этого грузика есть вектор неизменной длины v 0. Вектор скорости вращается вместе с грузиком. Представим мысленно вектор скорости как материальную стрелку, способную отбрасывать тень. В крайних положениях грузика вектор расположится вдоль луча света и тени не даст. Когда грузик от крайнего положения пройдет по окружности угол θ, то вектор скорости повернется на тот же угол и его проекция будет равна v 0sin θ. Но по тем же основаниям, что и раньше, θ/ t = 2π/ T , а значит, мгновенное значение скорости колеблющегося тела

Обратим внимание на то, что в формуле для определения величины смещения отсчет времени ведется от среднего положения, а в формуле скорости – от крайнего положения. Смещение маятника равно нулю при среднем положении грузика, а скорость колебания – при крайнем положении.

Между амплитудой скорости колебания v 0(иногда говорят – амплитудным значением скорости) и амплитудой смещения имеется простая связь: окружность длиной 2π a грузик описывает за время, равное периоду колебания T .

Таким образом, v 0= 2π a / T и v = (2π a / T )sin(2π/ T ) t .

При всяком колебании около положения равновесия на тело действует сила, «желающая» возвратить тело в положение равновесия. Когда точка удаляется от положения равновесия, сила замедляет движение, когда точка приближается к этому положению, сила ускоряет движение.

Проследим за этой силой на примере маятника. Грузик маятника находится под действием силы тяжести и силы натяжения нити. Разложим силу тяжести на две составляющие – одну, направленную вдоль нити, и другую, идущую перпендикулярно к ней по касательной к траектории. Для движения существенна лишь касательная составляющая силы тяжести. Она-то и есть в этом случае возвращающая сила. Что касается силы, направленной вдоль нити, то она уравновешивается противодействием со стороны гвоздика, на котором висит маятник, и принимать ее в расчет надо лишь тогда, когда нас интересует вопрос, выдержит ли нить тяжесть колеблющегося тела.

Обозначим через x величину смещения грузика. Перемещение происходит по дуге, но мы ведь условились изучать колебания вблизи положения равновесия. Поэтому мы не делаем различия между величиной смещения по дуге и отклонением груза от вертикали. Рассмотрим два подобных треугольника (рис. 45). Отношение соответствующих катетов равно отношению гипотенуз, т.е.

Величина mg / l во время колебания не меняется. Эту постоянную величину мы обозначим буквой k , тогда возвращающая сила равна F = kx . Мы приходим к следующему важному выводу: величина возвращающей силы прямо пропорциональна величине смещения колеблющейся точки от положения равновесия. Возвращающая сила максимальна в крайних положениях колеблющегося тела. Когда тело проходит среднюю точку, сила обращается в нуль и меняет свой знак или, иными словами, свое направление. Пока тело смещено вправо, сила направлена влево, и наоборот. Маятник служит простейшим примером колеблющегося тела. Однако мы заинтересованы в том, чтобы формулы и законы, которые мы находим, можно было бы распространить на любые колебания.

Период колебания маятника был выражен через его длину. Такая формула годится лишь для маятника. Но мы можем выразить период свободных колебаний через постоянную возвращающей силы k . Так как k = mg / l , то l / g = m / k , и, следовательно,

Эта формула распространяется на все случаи колебания, так как любое свободное колебание происходит под действием возвращающей силы.

Выразим теперь потенциальную энергию маятника через смещение из положения равновесия x . Потенциальная энергия грузика, когда он проходит низшую точку, может быть принята за нуль, и отсчет высоты подъема следует вести от этой точки. Обозначив буквой h разность высот точки подвеса и положения отклонившегося груза, запишем выражение потенциальной энергии: U = mg ( l − k ) или, пользуясь формулой разности квадратов,

Но, как видно из рисунка, l 2− h 2= x 2, l и h различаются весьма мало, и поэтому вместо l + h можно подставить 2 l . Тогда U = ( mg /2 l ) x 2, или

Потенциальная энергия колеблющегося тела пропорциональна квадрату смещения тела из положения равновесия.

Проверим правильность выведенной формулы. Потеря потенциальной энергии должна равняться работе возвращающей силы. Рассмотрим два положения тела – x 2и x 1. Разность потенциальных энергий

Но разность квадратов можно записать как произведение суммы на разность. Значит,