Физический маятник - точность превыше всего

Видео: Михаил Веллер: Закон гравитации для кирпича

Колебания – один из распространённых видов механического движения. Самым наглядным примером являются колебания, которые совершает физический маятник. Это тяжелое тело, закрепленное на нити в одной точке. Отводя маятник от положения равновесия и отпуская его, мы разрешаем ему падать, но падение совершается не свободно, а по траектории, равной длине нити.

Здесь можно наблюдать процесс превращения потенциальной энергии в энергию кинетическую и обратно. Отклонив физический маятник, мы задаем ему потенциальную энергию. Затем, когда его отпускают, он начинает движение, и при возвращении в точку равновесия его скорость будет максимальной. В процессе движения вниз происходит превращение части потенциальной энергии в энергию кинетическую. Дальше, двигаясь по инерции, тело поднимается все выше и выше, пока в какой-то точке движение не прекратится. Здесь кинетическая энергия превращается снова в потенциальную.

Затем маятник начинает движение в обратную сторону, и все повторяется. Таким образом, мы видим, что физический маятник колеблется благодаря совершаемым переходам потенциальной энергии в энергию кинетическую, а затем обратно. Время, затрачиваемое на все колебание, т.е. то, в течение которого тело, уйдя с какой-либо точки траектории своего движения, вернется туда снова, называется периодом колебаний. Наибольшее отклонение от точки равновесия маятника называют амплитудой колебания.

Изучая колебания, ученые установили, что период физического маятника, с которым он совершает колебания, никак не связан с массой маятника и определяется только длиной нити и значением ускорения свободного падения. Возникновение колебания возможно и в случае, когда груз закреплен на пружине. В таком случае происходит переход потенциальной энергии сжатой пружины в кинетическую энергию движения груза и наоборот.

Колебания, которые совершает физический маятник или груз на пружине, если отсутствует воздействие дополнительных сил, называются свободными или собственными. Если же на них происходит какое-либо внешнее воздействие, то подобные колебания называются вынужденными. При длительном воздействии внешней дополнительной периодической силы маятник начинает колебаться с частотой воздействия этой силы. При таком воздействии возможно возникновение такого явления как резонанс.

Видео: сила мысли и слова

Работа с маятником чрезвычайно интересна и может помочь в решении многих задач. Достаточно вспомнить маятник Фуко, благодаря которому удалось доказать, что Земля вращается. В этом опыте проводилось наблюдение за движением маятника. Для этого использовался груз, подвешенный на проволоке длиной 67 метров. По замыслу, на маятник действовали только сила притяжения Земли и сила натяжения проволоки. Вследствие чего колебания должны были происходить только в вертикальной плоскости.

На полу был насып песок и маятник своим острым концом при движении оставлял на нём свой след. Оказалось, что движение осуществляется не только в вертикальной плоскости, но присутствует и горизонтальная составляющая. При каждом движении маятника отклонение составляло около трех миллиметров от предыдущей траектории, за час плоскость, в которой происходили колебания маятника, повернулась на одиннадцать градусов.

Можно вспомнить и применение маятника в часах, основанное на постоянном периоде его колебаний. Это период зависит только от длины маятника. Точность хода подобных часов может достигать значительной величины. В 1954 году советским инженером Федченко были созданы маятниковые часы, точность хода которых составляла 0,0003 с в сутки.

Вот примерно так можно описать, что собой представляет физический маятник, его свойства и параметры, возможности по его использованию в науке и технике.