Номер 2, страница 182 - гдз по физике 9 класс учебник Шахмаев, Бунчук

Глава 10. Механические колебания и волны. Параграф 38. Свободные колебания. Период и частота колебаний - номер 2, страница 182.

Условие.

2. Какие системы, изображенные на рисунках 149–151 будут колебательными в состоянии невесомости? Почему?

Решение.

Решение

Для возникновения колебаний необходимо, чтобы при отклонении тела от положения равновесия на него начинала действовать сила, стремящаяся вернуть его в это положение (возвращающая сила). Рассмотрим, как состояние невесомости, при котором ускорение свободного падения равно нулю ($g=0$), влияет на различные колебательные системы.

1. Маятники, использующие силу тяжести (математический, физический)

В математическом маятнике (груз на нити) и физическом маятнике (тело, колеблющееся вокруг оси) возвращающая сила является компонентой силы тяжести. Для математического маятника она равна $F_{возвр} = mg \sin\alpha$, где $\text{m}$ — масса груза, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\alpha$ — угол отклонения от вертикали. Период малых колебаний такого маятника зависит от $\text{g}$: $T = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}$.

В состоянии невесомости $g = 0$. Это означает, что сила тяжести отсутствует, и, следовательно, возвращающая сила равна нулю. Если такой маятник отклонить, никакая сила не будет возвращать его в положение равновесия. Колебания не возникнут.

2. Маятники, использующие силу упругости (пружинный маятник)

В пружинном маятнике (груз на пружине) возвращающая сила — это сила упругости, возникающая в пружине при её растяжении или сжатии. Согласно закону Гука, эта сила равна $F_{упр} = -kx$, где $\text{k}$ — жёсткость пружины, а $\text{x}$ — смещение груза от положения равновесия.

Эта сила не зависит от силы тяжести. Наличие или отсутствие гравитации влияет только на положение равновесия вертикального пружинного маятника, но не на саму возможность колебаний. Период колебаний пружинного маятника определяется массой груза и жёсткостью пружины: $T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$, и не зависит от $\text{g}$.

В состоянии невесомости ($g=0$) сила упругости при деформации пружины никуда не исчезает. Если вывести груз из положения равновесия (в данном случае это положение, где пружина не деформирована), возникнет возвращающая сила упругости, которая вызовет колебания.

Вывод

Без изображений систем на рисунках 149–151 можно сделать общий вывод. Колебательными в состоянии невесомости будут только те системы, в которых возвращающая сила имеет негравитационную природу (например, сила упругости). Системы, чьи колебания основаны на силе тяжести, колебаться не смогут.

Ответ: В состоянии невесомости будут колебательными системы, в которых возвращающая сила создается силой упругости (например, пружинные маятники). Это происходит потому, что сила упругости зависит от деформации тела (пружины) и не зависит от силы тяжести. Системы, в которых возвращающая сила является силой тяжести (например, математический и физический маятники), колебаться в невесомости не будут, так как при $g = 0$ эта сила исчезает.