Номер 9, страница 104 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

9. Приведите примеры автоколебательных систем, не рассмотренные в тексте.

Решение

Автоколебательная система — это система, способная создавать и поддерживать незатухающие колебания за счёт поступления энергии от внешнего, непериодического источника, причём поступление энергии регулируется самой системой. Любая автоколебательная система состоит из трёх основных частей:

• Колебательная система (резонатор), в которой могут происходить колебания.
• Источник энергии, компенсирующий потери на трение и излучение.
• Устройство обратной связи (клапан), которое регулирует поступление энергии от источника в колебательную систему в нужные моменты времени (в такт с собственными колебаниями).

Ниже приведены примеры автоколебательных систем, которые могли быть не рассмотрены в тексте.

1. Сердце человека (или животного)

Сердце является ярким примером биологической автоколебательной системы. Оно способно ритмично сокращаться на протяжении всей жизни организма, обеспечивая циркуляцию крови.

• Колебательная система: Мышечные стенки предсердий и желудочков, которые могут сокращаться и расслабляться.
• Источник энергии: Химическая энергия, получаемая из расщепления молекул АТФ (аденозинтрифосфата) в мышечных клетках. Эта энергия постоянно восполняется за счёт метаболических процессов в организме.
• Устройство обратной связи: Встроенный водитель ритма — синусовый узел (синоатриальный узел). Он автономно генерирует электрические импульсы с определённой частотой. Эти импульсы распространяются по проводящей системе сердца, заставляя его мышцы сокращаться в правильной последовательности и с нужной периодичностью.

Ответ: Сердце является автоколебательной системой, где роль колебательной системы играют мышцы сердца, источником энергии — химическая энергия АТФ, а регулятором (устройством обратной связи) — проводящая система сердца во главе с синусовым узлом.

2. Колебания струны под действием смычка

При непрерывном движении смычка по струне скрипки или виолончели возникают устойчивые незатухающие колебания струны, которые мы воспринимаем как звук определённой высоты.

• Колебательная система: Натянутая струна, которая может совершать собственные колебания с определённой частотой.
• Источник энергии: Движение руки музыканта, которая с постоянной скоростью ведёт смычок.
• Устройство обратной связи: Механизм прерывистого трения между смычком и струной (эффект флаттера). Сила трения между волосом смычка и струной зависит от их относительной скорости. Когда струна движется в ту же сторону, что и смычок, сила трения покоя "захватывает" струну и тянет её за собой. Когда сила упругости в натянутой струне превышает силу трения покоя, струна срывается и начинает двигаться в обратном направлении. В этот момент сила трения (уже трения скольжения) уменьшается, позволяя струне совершить колебание. Затем цикл повторяется. Таким образом, сама колеблющаяся струна регулирует силу, с которой на неё действует источник энергии.

Ответ: Колебания струны под действием смычка — это автоколебания, где струна — колебательная система, движение смычка — источник энергии, а зависимость силы трения от относительной скорости струны и смычка обеспечивает обратную связь.

3. Электрический звонок

Простой бытовой прибор, работающий по принципу автоколебаний.

• Колебательная система: Подвижный якорь с молоточком, закреплённый на упругой пластине.
• Источник энергии: Источник постоянного тока (батарейка или сеть через выпрямитель).
• Устройство обратной связи: Электромагнит и прерыватель цепи. Когда цепь замкнута (нажата кнопка звонка), ток течёт через обмотку электромагнита. Электромагнит притягивает якорь с молоточком. В момент движения якоря к магниту специальный контакт, являющийся частью цепи, размыкается. Ток в электромагните прекращается, магнитное поле исчезает. Упругая пластина возвращает якорь в исходное положение, и молоточек ударяет по чаше звонка. При возвращении якоря контакт снова замыкается, и весь цикл повторяется с высокой частотой.

Ответ: Электрический звонок — автоколебательная система, где якорь с молоточком является колебательной системой, источник тока — источником энергии, а электромагнит с прерывателем — механизмом обратной связи.

4. Аэродинамические автоколебания (флаттер)

Возникновение незатухающих колебаний крыла самолёта, моста или линий электропередач под действием равномерного потока воздуха.

• Колебательная система: Упругая конструкция (крыло самолёта, пролёт моста).
• Источник энергии: Равномерный поток ветра (кинетическая энергия воздушного потока).
• Устройство обратной связи: Изменение аэродинамических сил при колебании конструкции. Случайное небольшое смещение (например, изгиб крыла вверх) изменяет угол атаки. Это приводит к возникновению подъёмной силы, которая толкает крыло ещё дальше вверх. Однако из-за упругости крыло стремится вернуться в исходное положение и проскакивает его по инерции, изгибаясь вниз. Это снова меняет угол атаки и направление действия аэродинамической силы, которая теперь толкает крыло вниз. Если поступление энергии от ветра превышает её рассеивание из-за внутреннего трения, амплитуда колебаний нарастает, что может привести к разрушению конструкции.

Ответ: Флаттер крыла самолёта или "галопирование" проводов ЛЭП — пример автоколебаний, где упругая конструкция является колебательной системой, поток воздуха — источником энергии, а зависимость аэродинамических сил от положения и скорости частей конструкции обеспечивает обратную связь.