Ответьте на вопросы, страница 159 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему свободные колебания в земных условиях затухающие?

2. При каком условии свободные колебания не будут затухающими?

3. Почему вынужденные колебания, как правило, не являются затухающими? В каком случае они могут быть затухающими? Приведите примеры.

1. Свободные колебания в земных условиях являются затухающими из-за неизбежного присутствия сил сопротивления, которые приводят к потере механической энергии колебательной системы. Любое реальное тело, совершающее колебания на Земле (например, маятник или груз на пружине), взаимодействует с окружающей средой и опорой. Основными причинами затухания являются:

• Сила сопротивления воздуха (или другой среды): При движении тела возникает сила, направленная против скорости движения, которая совершает отрицательную работу и превращает часть механической энергии системы в теплоту.

• Сила трения: В точке подвеса маятника или в местах крепления пружины возникает трение, которое также рассеивает энергию.

• Внутреннее трение: Внутри деформируемых материалов (например, в пружине или нити маятника) также происходят процессы, ведущие к диссипации (рассеянию) энергии.

Поскольку механическая энергия системы непрерывно расходуется на преодоление этих сил, ее полный запас уменьшается. Уменьшение энергии приводит к постепенному уменьшению амплитуды колебаний, вплоть до полной остановки. Этот процесс и называется затуханием.

Ответ: Свободные колебания в земных условиях затухающие, потому что на колебательную систему действуют силы сопротивления (трение, сопротивление воздуха), которые отнимают у нее энергию, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

2. Свободные колебания не будут затухающими только в том случае, если полностью отсутствуют какие-либо потери механической энергии. Это означает, что на колебательную систему не должны действовать никакие диссипативные силы (силы трения, сопротивления среды и т.д.).

Такое условие является идеализацией и в реальных земных условиях недостижимо. Теоретически, незатухающие свободные колебания могли бы существовать в идеальной консервативной системе. Для этого необходимо:

• Полное отсутствие трения (например, в опорах или подвесе).

• Отсутствие окружающей среды, создающей сопротивление (т.е. колебания должны происходить в абсолютном вакууме).

Системы, в которых колебания являются практически незатухающими в течение длительного времени, создаются искусственно (например, в вакуумированных часовых механизмах), но даже в них со временем происходит затухание из-за остаточного трения.

Ответ: Свободные колебания не будут затухающими при условии полного отсутствия сил трения и сопротивления среды, то есть в идеализированной системе, где механическая энергия сохраняется.

3. Вынужденные колебания, в отличие от свободных, происходят под действием внешней периодической силы. Хотя в системе по-прежнему присутствуют силы трения и сопротивления, которые отнимают энергию, эти потери непрерывно восполняются за счет работы, совершаемой внешней силой.

После начала действия внешней силы наступает переходный процесс, после которого система выходит на стационарный режим. В этом режиме за один период колебаний внешняя сила поставляет в систему ровно столько энергии, сколько рассеивается из-за сил сопротивления. В результате устанавливается постоянная, не уменьшающаяся со временем амплитуда колебаний. Именно поэтому говорят, что вынужденные колебания (в установившемся режиме), как правило, не являются затухающими — их амплитуда не падает.

Вынужденные колебания могут стать затухающими, если прекратится действие внешней вынуждающей силы. В этот момент они превратятся в свободные затухающие колебания и будут происходить с уменьшающейся амплитудой до полной остановки.

Примеры:

• Незатухающие вынужденные колебания: качели, которые постоянно раскачивает человек. Человек (внешняя сила) сообщает качелям энергию, компенсируя потери на трение и сопротивление воздуха, поэтому амплитуда качания поддерживается постоянной.

• Переход к затухающим колебаниям: если человек перестает раскачивать качели (внешняя сила исчезает), они некоторое время продолжают качаться, но их амплитуда постепенно уменьшается, и в итоге они останавливаются.

Ответ: Вынужденные колебания, как правило, не являются затухающими, так как потери энергии на трение и сопротивление постоянно компенсируются притоком энергии от внешнего источника (вынуждающей силы). Они могут стать затухающими в том случае, если действие внешней вынуждающей силы прекратится. Например, качели, которые перестали раскачивать, становятся затухающим колебательным процессом.