Номер 10, страница 181 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 4. Механические колебания и волны. Параграф 22. Превращения энергии при колебаниях. Резонанс - номер 10, страница 181.

Условие.

10. Сравните вынужденные и свободные колебания: что у них общего и чем они различаются?

Решение.

Свободные и вынужденные колебания являются видами механических (или электромагнитных) колебаний, имеющими как общие черты, так и принципиальные различия.

Что у них общего

• И свободные, и вынужденные колебания представляют собой повторяющийся во времени процесс изменения состояния системы около положения равновесия.

• В обоих случаях происходит периодическое преобразование энергии. Например, в механической системе кинетическая энергия переходит в потенциальную и обратно.

• Любые реальные колебания (как свободные, так и вынужденные) происходят в среде, обладающей сопротивлением, поэтому они испытывают затухание, то есть их энергия со временем уменьшается из-за трения или других диссипативных сил.

Ответ: Общим для свободных и вынужденных колебаний является то, что это повторяющиеся движения около положения равновесия, сопровождающиеся взаимными превращениями энергии и подверженные затуханию в реальных условиях.

Чем они различаются

1. Причина возникновения: Свободные колебания возникают за счет первоначального запаса энергии после выведения системы из положения равновесия (например, толчок или отклонение) и в дальнейшем поддерживаются только внутренними силами системы. Вынужденные колебания происходят под действием внешней, периодически изменяющейся (вынуждающей) силы.

2. Частота: Свободные колебания совершаются с собственной (или природной) частотой `$ \omega_0 $`, которая определяется исключительно параметрами самой колебательной системы (например, для пружинного маятника — массой груза и жесткостью пружины). Вынужденные колебания всегда происходят с частотой `$ \omega $` внешней вынуждающей силы.

3. Амплитуда: Амплитуда свободных колебаний из-за потерь энергии всегда уменьшается со временем (колебания затухают). Амплитуда установившихся вынужденных колебаний остается постоянной, так как внешняя сила постоянно восполняет потери энергии. Величина этой амплитуды зависит от частоты вынуждающей силы.

4. Продолжительность: Свободные колебания всегда являются затухающими и со временем прекращаются. Вынужденные колебания могут продолжаться неограниченно долго, пока действует внешняя периодическая сила.

5. Резонанс: Для вынужденных колебаний характерно явление резонанса — резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы `$ \omega $` с собственной частотой системы `$ \omega_0 $`. Для свободных колебаний понятие резонанса не применимо.

Ответ: Различия заключаются в причине возникновения (внутренние силы против внешней силы), частоте (собственная частота против частоты внешней силы), характере изменения амплитуды (затухающая против постоянной), продолжительности и наличии явления резонанса только у вынужденных колебаний.