Маятник длиною… в час?

КОЛЕБАНИЯ. АКУСТИКА. ОПТИКА

Когда говорят о колебаниях, обычно вспоминают маятник. Почему же он колеблется? И чем замечательны его колебания?

Есть остроумный, хотя и немного садистский способ охоты на медведя. На этом способе можно понять, как колеблется маятник, да и вообще механические колебательные системы. Суть способа состоит вот в чем.

На дерево, где живут дикие пчелы, часто лезут медведи, чтобы полакомиться медом. А охотник по дороге к меду подвешивает на веревке тяжелый чурбан так, чтобы он мешал медведю. Зверь толкает чурбан лапой, тот приходит в колебательное движение и на обратном ходу ударяет медведя (рис. 92). Медведь злится и еще сильнее бьет по чурбану. А тот, приобретая размах, или, по-научному амплитуду, соответственно бьет медведя. Постепенно размах колебаний растет, и на каком-то из них сраженный чурбаном медведь падает вниз прямо «в лапы» охотнику.

Рис. 92. «Научная» охота на медведя

Зададимся вопросом: почему возникли колебания чурбана? Первое: была масса, т. е. сам чурбан. Второе: чурбан, т. е. массу, сдвинули, или нарушили равновесие, возмутили его. Силу медведя, возмутившую это равновесие, назовем возмущающей или вынуждающей. От медвежьего толчка чурбан отодвинулся в сторону, но, будучи подвешен на веревке, снова устремился к положению равновесия. Это происходит потому, что, отклонившись на веревке, чурбан чуть приподнялся над положением, которое он занимал при равновесии, и сила тяжести влечет его снова занять прежнее, наиболее низкое положение равновесия. Эта сила как бы восстанавливает положение равновесия чурбана-маятника, и потому назовем ее восстанавливающей силой.

Если бы медведь был поумнее и отодвинулся бы в сторону, то чурбан совершал бы свои колебания сам по себе, свободно. Такие колебания назовем собственными колебаниями, а частоту их – собственной частотой, так как собственно сам чурбан их и создает. Постепенно эти колебания затухают, и их можно назвать затухающими. Но если медведь вновь примется толкать чурбан, вынуждая его увеличивать размах колебаний, то такие колебания справедливо назвать вынужденными. И если медведь окажется столь глупым, что будет толкать чурбан с частотой собственных колебаний, то размах будет все увеличиваться, пока не наступит катастрофа – падение медведя. Такой случай, когда частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний, называется резонансом.

Вот мы и изучили физические причины, вызывающие колебания, а к тому же вспомнили основную терминологию, связанную с этим явлением.

Восстанавливающая сила может быть не только силой тяжести, как в нашем случае. Она может быть, например, и силой упругости, если бы чурбан был подвешен на пружинах. Многие силы могут быть восстанавливающими, лишь бы они восстанавливали равновесие.

Возвращаясь к нашему случаю с медведем, зададимся вопросом: а как выбирать длину веревки, на которой подвешен чурбан? Чем длиннее веревка, тем больше размах, но тем больше и время, через которое чурбан снова вернется к медведю и ударит его. Назовем это время периодом колебаний, так как возврат в исходное положение при колебаниях происходит не однократно, а периодически. Так вот если период будет слишком велик, то медведь успеет проскочить к меду, минуя удар чурбаном. Значит, длиной веревки, на которой подвешен чурбан, мы регулируем период колебаний. Чем длиннее веревка, тем больше период.

Но важно то, что этот период не зависит от размаха колебаний. Мала или велика, конечно, в определенных пределах, амплитуда колебаний маятника, период колебаний маятника зависит не от нее, а как мы установили, только от длины маятника. Даже сопротивление воздуха движению маятника существенно не влияет на период. И все это первым заметил Галилео Галилей. Он не был охотником на медведей. Просто будучи добрым католиком, Галилей много времени проводил в соборе, где помимо прочего наблюдал за колебаниями светильника на длинном подвесе (в православных храмах такой светильник называют паникадилом). Он, измеряя период колебаний биением своего пульса (наручных-то часов тогда не было!), и пришел к выводу, что ни масса подвешенного груза, ни амплитуда колебаний практически не влияют на период.

Это был очень важный вывод – на его основании впоследствии были изобретены точные маятниковые часы, и созданы они были великим голландским физиком Христианом Гюйгенсом (1629—1695). Но об этом потом. А пока нам важно знать, что Гюйгенс первым установил зависимость периода колебаний от длины маятника. Если груз на подвесе считать маленькой тяжелой точкой (такой маятник называется математическим), то период Т колебаний прямо пропорционален корню квадратному из длины маятника l. Если эти колебания происходят не на поверхности Земли, а на Луне например, или на высокой горе, или в глубокой шахте, то там ускорение силы тяжести отличается от того, к которому мы привыкли: g = 9,81 м/с2. И тогда нам важно знать, что период колебаний обратно пропорционален корню квадратному из ускорения силы тяжести. Иначе говоря, формула Гюйгенса имеет вид:

Сам автор для практических целей пользуется упрощенной формулой. Так как число? в квадрате очень близко к значению ускорения силы тяжести на уровне океана (т. е. не на высокой горе или в глубокой шахте), то формула упрощается и приобретает вид:

Если, например, длина маятника равна 1 м, то период колебаний равен 2 секундам: секунда – туда, секунда – обратно. Значит, имея часы, можно измерять длину. И наоборот, рулетка может стать измерителем времени, а часы – расстояния! Но удобнее, конечно, первый вариант.

Если задаваться необходимым периодом колебаний, то можно вычислить длину маятника по упрощенной формуле:

l = 0,25 T 2

Эта формула тут же подтверждает, что длина маятника с периодом 2 секунды равна 1 м. А интересно, каков будет маятник длиною в час? То есть чтобы период его был равен часу или 3 600 секундам? Подставляем и получаем:

l = 0,25 х 3 600 2 = 3 240 000 м, или 3 240 км!

Да это ни в каком соборе не поместится!

Интересно, а если маятник на Земле (на уровне океана) имеет период в 1 секунду, то каков будет его период на Луне, где ускорение силы тяжести 1,6 м/с2? Так как это в 6,13 раза меньше, чем на Земле, то колебания будут происходить в ^6,13, или 2,47 раза медленнее, а период будет в 2,47 раза больше, или 2,47 секунды. Стало быть, маятниковые часы на Луне будут здорово отставать.

Напротив, на планетах-гигантах, где ускорения силы тяжести огромны, эти часы-ходики, если там их механическая прочность выдержит сильнейшую гравитацию, будут сильно спешить.

На Земле подобное тоже может иметь место. Например, на высоких горах ускорение силы тяжести чуть-чуть меньше, чем на уровне океана. Там ходики будут идти медленнее, но период колебаний маятника будет реагировать на это еще меньше, так как он зависит от корня квадратного из соотношений ускорений сил тяжести. Это отставание практически заметить будет нельзя. Скорее всего, на Эльбрусе, например, ходики будут спешить по сравнению с уровнем Черного моря, так как на высокой горе холоднее, маятник из-за охлаждения укоротится и часы, в соответствии с формулой Гюйгенса, заспешат!

С опусканием в шахту ходики опять же заспешат из-за некоторого увеличения ускорения силы тяжести, но лишь до некоторой глубины, точно указать которую трудно. После нее из-за снижения ускорения силы тяжести ходики снова отстанут (рис. 93), ну а в центре Земли, если мы туда попадем, они и вовсе остановятся. Ибо там невесомость и ускорение силы тяжести равно нулю.

Интересно, что точно так же ходики остановятся в падающем лифте и в спутнике, летящем вокруг Земли с неработающими двигателями, где, как известно, тоже невесомость.

Но если создать искусственную гравитацию вращением спутника, например, вокруг своей оси, то ходики снова заработают, но только в том случае, если колебания маятника будут совершаться в плоскости вращения спутника.

А если нет? Ходики будут всеми силами сопротивляться этому, и что произойдет в результате, вы узнаете чуть дальше.

Дата добавления: 2014-12-10