Изучаем маятник - амплитуда колебаний

Среди «вечных» тем школьной программы по физике раздел «колебания», пожалуй, самый ностальгический – о нем всегда вспоминается с какой-то теплой грустью. Вряд ли хоть кто-нибудь, вспоминая эту тему, не видит, в первую очередь, тик-так, тик- так&hellip- маятник – «серьезнейший» прибор из кабинета по физике. Правда, лабораторные маятники не «тикают», но своим классическим средневековым видом всегда как бы говорят, покачиваясь, свое вечное тик-так, тик- так&hellip-«не думай о секундах свысока». А задача у этих простеньких с виду приборов – наглядно показать, что же это такое – колебания.

Мы познаем мир и убеждаемся, как много значит вокруг нас такое простое и незамысловатое действо. Колебание – это и маятник Фуко, и часы, и электричество, радио, ТВ, звук из динамика, а любимая мобилка – целое скопище колебательных систем. Ну, что ж, вспомним, чему учили в школе – амплитуда колебаний, формулы, графики. Итак, колебания&hellip-а что это такое?

Все, что нас окружает, это «материальные точки», которым, почему-то, никак не сидится спокойно. В этом хаосе разнообразия движений колебаниями называют процесс, при котором материальная точка, иногда говорят система, всегда возвращается к положению равновесия, если она от него многократно отклоняется. При этом величина максимального отклонения от точки равновесия называется амплитуда колебаний. Наилучшим прибором для демонстрации механических колебаний, конечно же, служит старый, добрый маятник – груз (шар, диск или стержень), подвешенный на нити. Зафиксируйте его неподвижно – и вот вам состояние равновесия. Отведите груз в сторону и отпустите, что видите? Правильно, он начнет свое «тик-так»: возвратится в положение равновесия, отклонится в другую сторону, затем опять возвратится в положение равновесия. Если маятнику ничто не мешает, то он, неугомонный, опять отклонится в сторону&hellip- и так непрерывно, пока, из-за силы трения, он все-таки не остановится.

Так уж повелось, что любой предмет, имеющий массу, размеры и другие отличительные признаки, обязательно содержит набор характеристик, которыми можно однозначно описать данную «материальную точку» так, чтоб ее поведение от взаимодействия с окружающей средой было предсказуемым, логичным и понятным. Такими характеристиками маятника являются амплитуда колебаний и период. Другие часто используемые параметры - производные от исходных, они являются их органичной частью (фаза) или результатом дополнительных вычислений (частота).

Следующий шаг изучения увлекательного мира колебаний – простейший эксперимент по определению параметров нашего объекта - маятника. Устройство маятника проще некуда - нить, шар, точка подвеса. А как найти амплитуду колебаний такого маятника? Да так просто, чтобы такой опыт, как говорится, и на кухне можно было проделать. Все легко (в известных пределах). Исходная задача: имеется подвешенный к потолку маятник – металлический диск на нити. Нас интересует величина отклонения диска от положения равновесия. При неподвижном маятнике делаем отметку точки равновесия на стене, или на установленном сзади бумажном экране. Толкнем диск. Маятник начнет колебаться, а тень от диска будет «рисовать» траекторию на экране. Перемещая палочку (можно карандаш) по экрану, находим последнюю точку, когда тень при колебаниях в крайней точке закрывает наш указатель, и делаем метку. Расстояние от точки равновесия до метки и будет амплитуда колебаний маятника. Правда, несложно? А кто бы сомневался.

Конечно, можно «осовременить» эксперимент электронными наворотами с фотодатчиками или использовать лазерные измерители расстояний, померить с точностью до какой-нибудь заманчивой цифры после запятой, но ничто не может изменить его суть - выполнено измерение наибольшего отклонения маятника от положения равновесия, т.е. измерена амплитуда. В проделанном нами опыте легко обнаружить один «секрет» маятника – его амплитуда колебаний зависит только от начальных условий, т.е. фактически от силы первого толчка, который нарушил состояние равновесия, или начальной энергии, сообщенной колебательной системе, когда маятник отклоняют на некоторый угол от положения равновесия.