Ответьте на вопросы, страница 143 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему колебательные системы могут совершать колебания без воздействия внешней силы?

Колебательные системы могут совершать колебания без постоянного воздействия внешней силы, если они были выведены из положения устойчивого равновесия. Такие колебания называются свободными или собственными. Это возможно благодаря взаимодействию двух ключевых факторов: наличия внутренней возвращающей силы и инертности системы.

Процесс можно описать пошагово:

1. Начальное условие и запас энергии. Чтобы колебания начались, системе необходимо сообщить начальную энергию. Это делается однократным внешним воздействием, которое выводит систему из положения равновесия. Например, когда мы отводим маятник в сторону или сжимаем пружину. В этот момент система запасает потенциальную энергию ($E_p$). После этого внешняя сила больше не действует.

2. Возвращающая сила. Как только система отклоняется от положения равновесия, в ней возникает внутренняя сила, которая всегда направлена к положению равновесия. Эта сила называется возвращающей. Например, для пружинного маятника это сила упругости, описываемая законом Гука ($F_{упр} = -kx$), а для математического маятника — составляющая силы тяжести.

3. Инертность и преобразование энергии. Под действием возвращающей силы тело начинает ускоряться к положению равновесия. Его потенциальная энергия переходит в кинетическую ($E_k$). В момент прохождения положения равновесия возвращающая сила равна нулю, но скорость тела и его кинетическая энергия максимальны. Благодаря инертности (свойству тел сохранять свою скорость) тело не останавливается, а продолжает движение, "проскакивая" положение равновесия.

4. Повторение цикла. После прохождения положения равновесия тело начинает двигаться в противоположную сторону. Возвращающая сила снова возникает, но теперь она направлена против движения, замедляя тело. Кинетическая энергия начинает снова переходить в потенциальную. Этот процесс продолжается до тех пор, пока тело не достигнет максимального отклонения в другую сторону, где его скорость станет равной нулю, а потенциальная энергия — снова максимальной. Затем весь цикл повторяется.

Таким образом, колебания поддерживаются за счет непрерывного взаимного превращения потенциальной и кинетической энергии. В идеальной колебательной системе (где нет трения и сопротивления воздуха) полная механическая энергия ($E = E_k + E_p = \text{const}$) сохраняется, и свободные колебания могли бы продолжаться бесконечно.

В реальных условиях всегда существуют силы сопротивления, которые приводят к постепенному уменьшению энергии системы и, как следствие, к затуханию колебаний.

Ответ: Колебательные системы могут совершать колебания без постоянного воздействия внешней силы (свободные колебания) благодаря наличию внутренней возвращающей силы, которая стремится вернуть систему в положение равновесия, и инертности ее движущихся частей. После однократного вывода из положения равновесия система начинает колебаться за счет периодического превращения потенциальной энергии (запасенной при отклонении) в кинетическую (энергию движения) и обратно. Внешняя сила нужна только для того, чтобы сообщить системе начальный запас энергии.