Номер 1, страница 217, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 6. Механические колебания и волны. Параграф 53. Гармонические колебания. Повторим изученное - номер 1, страница 217.

Условие.

• Какие силы действуют на грузы при колебаниях пружинного и математического маятников?

Решение.

Пружинный маятник
На груз, совершающий колебания на пружине (пружинный маятник), действуют следующие силы:
1. Сила тяжести ($ \vec{F}_{тяж} = m\vec{g} $). Она всегда направлена вертикально вниз.
2. Сила упругости пружины ($ \vec{F}_{упр} $). Эта сила возникает при деформации (растяжении или сжатии) пружины и направлена в сторону, противоположную смещению груза от положения равновесия недеформированной пружины. Величина этой силы определяется законом Гука: $ F_{упр} = k|x| $, где $ k $ — жесткость пружины, а $ |x| $ — величина деформации.

В зависимости от ориентации маятника, равнодействующая этих сил различна:
• При горизонтальных колебаниях (на гладкой поверхности, где трением можно пренебречь) сила тяжести уравновешивается силой нормальной реакции опоры. Колебания происходят под действием только силы упругости пружины, которая и является возвращающей силой, стремящейся вернуть груз в положение равновесия.
• При вертикальных колебаниях на груз постоянно действуют и сила тяжести, и сила упругости. Положение равновесия системы смещено вниз от положения недеформированной пружины на величину, при которой сила упругости уравновешивает силу тяжести. Возвращающая сила, вызывающая колебания, является равнодействующей силы тяжести и переменной силы упругости, и она пропорциональна смещению груза от этого нового положения равновесия.

В реальных условиях также всегда присутствует сила сопротивления среды (например, воздуха), которая направлена против скорости движения и вызывает затухание колебаний. В идеализированной модели (гармонические колебания) этой силой пренебрегают.
Ответ: На груз пружинного маятника действуют сила тяжести и сила упругости пружины. Их равнодействующая является возвращающей силой, вызывающей колебания. В реальных условиях также присутствует сила сопротивления среды.

Математический маятник
Математический маятник — это идеализированная система, состоящая из материальной точки массой $ m $, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити. На груз (материальную точку) в процессе колебаний действуют две основные силы:
1. Сила тяжести ($ \vec{F}_{тяж} = m\vec{g} $), которая всегда направлена вертикально вниз.
2. Сила натяжения нити ($ \vec{T} $), которая всегда направлена вдоль нити к точке подвеса.

Равнодействующая этих двух сил и заставляет маятник колебаться. Для анализа движения силу тяжести удобно разложить на две составляющие:
• Тангенциальная (касательная) составляющая ($ F_t = mg \sin\alpha $, где $ \alpha $ — угол отклонения нити от вертикали), направленная по касательной к дуге, по которой движется груз. Именно эта составляющая является возвращающей силой, так как она всегда направлена к положению равновесия.
• Нормальная (радиальная) составляющая ($ F_n = mg \cos\alpha $), направленная вдоль нити от груза. Эта составляющая в любой момент времени частично или полностью компенсируется силой натяжения нити $ \vec{T} $. Равнодействующая нормальной составляющей силы тяжести и силы натяжения нити сообщает грузу центростремительное ускорение.

В реальных условиях также действует сила сопротивления среды, которая тормозит движение и приводит к затуханию колебаний.
Ответ: На груз математического маятника действуют сила тяжести и сила натяжения нити. Возвращающей силой, вызывающей колебания, является тангенциальная составляющая силы тяжести. В реальных условиях также действует сила сопротивления среды.