Номер 1, страница 175 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 4. Механические колебания и волны. Параграф 21. Механические колебания - номер 1, страница 175.

Условие.

1. Расскажите о механических колебаниях и приведите примеры таких колебаний.

Решение.

Расскажите о механических колебаниях и приведите примеры таких колебаний.

Механические колебания – это вид механического движения, при котором тело или система тел многократно и в определенной степени повторяет свое движение относительно положения равновесия. Это один из самых распространенных видов движения в природе и технике.

Для возникновения механических колебаний необходимо выполнение следующих условий:

1. Наличие положения устойчивого равновесия. При отклонении тела от этого положения должна возникать возвращающая сила, направленная к положению равновесия.
2. Инертность колеблющегося тела. Благодаря инерции тело не останавливается в положении равновесия, а проходит его, продолжая движение.
3. Малые силы трения или сопротивления в системе. В противном случае колебания быстро затухают, и движение становится апериодическим (не колебательным).

Виды механических колебаний:

• Свободные (или собственные) колебания: совершаются системой под действием внутренних сил после того, как она была выведена из состояния равновесия. В идеальной системе без трения такие колебания были бы незатухающими и продолжались бы вечно с постоянной амплитудой. Их частоту называют собственной частотой системы.
• Затухающие колебания: это реальные свободные колебания, амплитуда которых со временем уменьшается из-за потерь энергии на трение и сопротивление среды.
• Вынужденные колебания: происходят под действием внешней, периодически изменяющейся силы. Частота вынужденных колебаний равна частоте внешней силы. Особым случаем является резонанс – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой колебательной системы.
• Автоколебания: это незатухающие колебания, которые система поддерживает сама за счет энергии от постоянного, непериодического источника. Система сама регулирует поступление энергии. Пример – маятник в механических часах.

Основные характеристики колебательного движения:

• Амплитуда ($\text{A}$) – максимальное смещение или отклонение тела от положения равновесия.
• Период ($\text{T}$) – время одного полного колебания. Измеряется в секундах (с).
• Частота ($\nu$ или $\text{f}$) – число полных колебаний за единицу времени. Измеряется в герцах (Гц). Связана с периодом формулой: $f = 1/T$.
• Циклическая (угловая) частота ($\omega$) – число колебаний за $2\pi$ секунд. Связана с обычной частотой: $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$.

Простейшим и важнейшим видом колебаний являются гармонические колебания, при которых физическая величина (например, смещение) изменяется со временем по закону синуса или косинуса: $x(t) = A \cos(\omega t + \phi_0)$, где $x(t)$ – смещение в момент времени $\text{t}$, $\text{A}$ – амплитуда, $\omega$ – циклическая частота, а $\phi_0$ – начальная фаза колебаний. Такие колебания возникают, когда возвращающая сила пропорциональна смещению и направлена в противоположную сторону (как сила упругости по закону Гука: $F_{упр} = -kx$).

Примеры механических колебаний:

• Колебания груза, подвешенного на пружине (пружинный маятник).
• Колебания шарика на нити (математический маятник).
• Колебания качелей.
• Движение поршня в двигателе внутреннего сгорания.
• Колебания струн музыкальных инструментов (гитара, скрипка, пианино).
• Колебания мембраны барабана или диффузора громкоговорителя.
• Колебания веток деревьев на ветру.
• Колебания мостов и высотных зданий под действием ветра или движения транспорта.
• Работа голосовых связок человека при издавании звуков.
• Биение сердца (пример автоколебаний).

Ответ:
Механические колебания — это повторяющиеся во времени движения тела около положения равновесия. Для их возникновения необходимы возвращающая сила, инертность тела и малое трение. Колебания бывают свободными (происходят за счет начального запаса энергии), вынужденными (под действием внешней периодической силы) и автоколебаниями (система сама поддерживает колебания за счет внешнего источника энергии). Основные характеристики колебаний: амплитуда, период и частота. Примерами служат движение маятника часов, качелей, струны гитары, работа поршня в двигателе.