Номер 4.128, страница 102 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Колебания и волны. Глава 4. Механические колебания. Автоколебания - номер 4.128, страница 102.

Условие.

4.128. На рисунке 4.37 показан анкерный механизм маятниковых часов. Выделите основные элементы автоколебательной системы и объясните принцип работы механизма.

Рис. 4.37

Решение.

Выделите основные элементы автоколебательной системы

Автоколебательная система, показанная на рисунке, представляет собой механизм маятниковых часов. Ее основными элементами являются:
1. Колебательная система — это маятник (состоящий из стержня и груза-диска, который на рисунке является частью подвеса с гирей). Маятник совершает колебания с практически постоянным собственным периодом, который и определяет точность хода часов.
2. Источник энергии — поднятая гиря. Потенциальная энергия гири ($E_p = mgh$) обеспечивает работу всего механизма, компенсируя неизбежные потери энергии на трение в механизме и сопротивление воздуха.
3. Устройство обратной связи и регулятор (клапан) — анкерный механизм. Он состоит из двух частей:
а) Ходовое колесо, которое находится под постоянным вращающим моментом от гири.
б) Анкер (анкерная вилка), который соединен с осью маятника и качается вместе с ним.
Этот механизм связывает источник энергии с колебательной системой. Он порционно передает энергию маятнику, чтобы поддержать его колебания, и одновременно регулирует скорость спуска гири, то есть скорость вращения ходового колеса.

Ответ: Основными элементами автоколебательной системы являются: маятник (колебательная система), гиря (источник энергии) и анкерный механизм, состоящий из ходового колеса и анкера (регулятор и обратная связь).

Объясните принцип работы механизма

Принцип работы анкерного механизма заключается в преобразовании непрерывного вращательного движения, создаваемого гирей, в прерывистое, которое синхронизировано с колебаниями маятника.
1. Гиря, оПУскаясь под действием силы тяжести, тянет цепь и создает вращающий момент, который стремится повернуть ходовое колесо.
2. Однако свободному вращению колеса мешает анкер, который качается вместе с маятником. Концы анкера, называемые палетами, поочередно входят в зацепление с зубьями ходового колеса.
3. Рассмотрим один цикл. Когда маятник движется, например, вправо, левая палета анкера выходит из зацепления с зубом ходового колеса. Колесо освобождается и под действием гири успевает немного провернуться.
4. Во время этого короткого поворота скошенная поверхность зуба ходового колеса толкает палету анкера. Этот толчок (импульс) передается маятнику, сообщая ему дополнительную энергию для компенсации потерь на трение и поддержания незатухающих колебаний.
5. Почти сразу после этого правая палета анкера зацепляется за другой зуб колеса, останавливая его вращение.
6. Когда маятник начинает движение в обратную сторону (влево), процесс повторяется: правая палета освобождает колесо, оно поворачивается, толкает эту палету и останавливается левой палетой.
Таким образом, за одно полное колебание маятника (туда-обратно) ходовое колесо поворачивается ровно на два зубца. Это строго дозированное вращение передается через систему шестерен (не показана) на стрелки часов. Характерный звук "тик-так" издается в моменты удара зубьев колеса о палеты анкера.

Ответ: Принцип работы основан на том, что колеблющийся маятник через анкер периодически освобождает и останавливает ходовое колесо. При каждом освобождении колесо, вращаемое гирей, передает маятнику небольшой энергетический импульс, поддерживая его колебания, и при этом само поворачивается на строго определенный угол, обеспечивая равномерный ход часов.