Номер 4, страница 135 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. Могут ли свободные колебания быть незатухающими? Почему? Что необходимо делать для того, чтобы колебания были незатухающими?

4. Могут ли свободные колебания быть незатухающими? Почему? Что необходимо делать для того, чтобы колебания были незатухающими?

Свободные колебания в реальных физических системах не могут быть незатухающими.

Причина заключается в том, что в любой реальной колебательной системе всегда существуют диссипативные силы (силы трения, сопротивления среды). Эти силы совершают отрицательную работу, из-за чего полная механическая энергия системы постепенно уменьшается, переходя во внутреннюю энергию (например, в тепло). Поскольку энергия колебаний (например, для пружинного маятника $E = \frac{kA^2}{2}$) пропорциональна квадрату амплитуды $A$, уменьшение энергии приводит к уменьшению амплитуды. Этот процесс и называется затуханием. Незатухающие свободные колебания являются лишь физической идеализацией, применимой в моделях, где потерями энергии можно пренебречь.

Для того чтобы колебания стали незатухающими, необходимо компенсировать потери энергии в системе. Этого можно достичь, подводя к системе энергию от внешнего источника. Скорость поступления энергии должна быть равна скорости ее потерь из-за сил трения. Колебания, поддерживаемые за счет внешнего источника энергии, перестают быть свободными и становятся либо вынужденными (если на систему действует внешняя периодическая сила), либо автоколебаниями (если система сама регулирует поступление энергии от постоянного источника).

Ответ: Нет, свободные колебания в реальных условиях всегда являются затухающими из-за неизбежного наличия сил трения и сопротивления, которые приводят к потере энергии. Чтобы колебания были незатухающими, необходимо непрерывно восполнять эти потери энергии за счет внешнего источника, превращая их в вынужденные колебания или автоколебания.

5. Что можно сказать о частоте установившихся вынужденных колебаний?

Вынужденные колебания возникают в системе под действием внешней периодической силы, которую называют вынуждающей. Когда эта сила начинает действовать, в системе происходит переходный процесс, во время которого накладываются друг на друга затухающие собственные колебания системы и колебания, вызванные внешней силой.

Спустя некоторое время собственные колебания системы затухают, и в системе устанавливается стационарный режим — установившиеся вынужденные колебания. Частота этих установившихся колебаний всегда равна частоте вынуждающей силы. Другими словами, колебательная система «забывает» о своей собственной (природной) частоте $ \omega_0 $ и начинает колебаться с частотой внешней силы $ \omega $. Амплитуда установившихся колебаний зависит от соотношения частот $ \omega $ и $ \omega_0 $, достигая максимума при резонансе ($ \omega \approx \omega_0 $).

Ответ: Частота установившихся вынужденных колебаний равна частоте внешней периодической (вынуждающей) силы, которая действует на колебательную систему.