Превращения энергии при колебаниях

Из-за сопротивления воздуха колебания маятника являются затухающими: их амплитуда постепенно уменьшается и в конце концов маятник останавливается (рис. 35).

Если, однако, сопротивления воздуха мало, то на протяжении небольших интервалов времени его можно не учитывать. В этом случае к маятнику можно применять закон сохранения энергии.

Затухание колебаний маятника

Рассмотрим для примера нитяной маятник. Когда его выводят из положения равновесия, то сообщают ему некоторую потенциальную энергию Еп. После начала колебаний, когда маятник, разгоняясь, устремляется по дуге окружности вниз (к положению равновесия), его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает. В среднем положении кинетическая энергия Ек максимальна, а потенциальная минимальна (равна нулю). После того как маятник по инерции минует положение равновесия, его кинетическая энергия начнет убывать, а потенциальная — возрастать. В крайнем положении потенциальная энергия маятника Еп достигнет своего наибольшего значения, а кинетическая энергия обратится в нуль. Затем все повторится в обратном порядке.

Принято говорить, что в процессе колебаний маятника его потенциальная энергия периодически превращается в кинетическую энергию, а кинетическая энергия — в потенциальную:

Еп → Ек → Еп → ...

Каждая из этих энергий по отдельности меняется, но их сумма (т. е. полная механическая энергия E при отсутствии сил трения и сопротивления остается неизменной.

1. Почему затухают колебания маятника? 2. Какие превращения энергии происходят при незатухающих колебаниях маятника? 3. В каких положениях маятника его скорость обращается в нуль? Где она максимальна? Почему?

Экспериментальное задание. Привяжите к нити небольшой груз, например кулон, брелок или ластик. Отклоните груз от положения равновесия и отпустите. Наблюдайте за колебаниями маятника в течение некоторого времени. Сделайте рисунок, обозначив те положения маятника, в которых: а) кинетическая энергия максимальна; б) кинетическая энергия минимальна; в) потенциальная энергия минимальна; г) потенциальная энергия максимальна.