Период свободных колебаний

Свободные колебания – это колебания системы под действием только внутренних сил. Одним из важнейших параметров колебаний является период колебаний. Рассмотрим это понятие более подробно, его формулу и возможность измерения.

Свободные колебания

Колебания – это изменение некоторого параметра системы, которое происходит вокруг определенного среднего значения. Колебания могут быть периодическими (колебания маятника) и непериодическими (колебания флага на ветру).

Колебания в природе

Рис. 1. Колебания в природе.

Также колебания могут быть вынужденными и свободными. Вынужденные колебания – это колебания под действием внешних сил. Свободные колебания – это колебания под действием внутренних сил.

Флаг на ветру – это пример вынужденных колебаний. Он колеблется исключительно под воздействием ветра. Маятник – пример свободных колебаний. Нитяной маятник колеблется под действием силы тяжести, причина которой – масса самого маятника. Пружинный маятник колеблется под воздействием силы упругости, причина которой – внутренние напряжения деформации пружины.

Условия возникновения свободных колебаний

Для того, чтобы в системе могли возникать свободные колебания, необходимо выполнение следующих условий:

  • в системе должно быть одно положение равновесия;
  • система должна быть выведена из положения равновесия;
  • в системе должна возникать сила, возвращающая систему в положение равновесия;
  • потери энергии в системе должны быть малы.

Для примера можно рассмотреть пружинный маятник. В нем выполняются все эти условия.

Пружинный маятник

Рис. 2. Пружинный маятник.

Заметим, что сила, которая стремится возвратить маятник в положение равновесия, зависит от отклонения маятника, и тем больше, чем больше это отклонение. А значит, и ускорение, которое получает масса пружинного маятника, будет направлено к положению равновесия, и зависеть от отклонения. Ускорение – это вторая производная перемещения. Единственная функция, вторая производная которой пропорциональна самой функции – это круговая функция (синус или косинус). Колебания, происходящие по закону круговой функции, называются гармоническими. Такими колебаниями являются колебания пружинного маятника. Их формула:

$$x(t)=A cos \sqrt{k\over m}t$$

где:

  • $x$ – перемещение маятника в момент $t$;
  • $A$ – амплитуда колебаний маятника;
  • $k$ – жесткость пружины маятника;
  • $m$ – масса маятника;

График колебаний:

Период свободных колебаний

Период колебаний – это время, за которое совершается одно колебание. Поскольку колебания маятника описываются круговой функцией, то ее период равен периоду этой функции.

$$T=2\pi\sqrt {m\over k}$$

То есть, зная жесткость пружины и массу маятника, можно получить период.

Период колебаний можно измерить и непосредственно. Если посчитать количество колебаний $N$ за время $t$, отношение этих величин также даст период свободных колебаний маятника:

$$T={t\over N}$$

Зная период колебаний маятника и его массу, можно определить жесткость пружины.

Период колебаний обычного нитяного маятника можно использовать для нахождения ускорения свободного падения $\mathrm{g}$, поскольку формула периода свободных колебаний нитяного маятника аналогична формуле периода колебаний пружинного маятника:

$$T=2\pi\sqrt {l\over \mathrm{g}}$$

При этом необходимо учесть ограничения формулы – максимальное отклонение нитяного маятника должно быть намного меньше его длины.

График колебаний маятника

Рис. 3. График колебаний маятника.

Что мы узнали?

Хорошим примером свободных колебаний являются колебания маятника. Период его колебаний описывается специальной формулой, и его можно измерить, найдя отношение времени, за которое происходит несколько колебаний к числу этих колебаний. Найденное значение можно использовать для вычисления жесткости пружины в пружинном маятнике или для вычисления ускорения свободного падения в нитяном.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Колебания, совершаемые под действием внутренних сил, называются…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.

    Оценка доклада

    Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 6.

    Предметы