Чтение онлайн

Сила реакции пружины может быть столь значительной, что груз не только будет возвращен в исходное положение, но и поднят выше. Груз, переместившись выше положения покоя, остановится в положении Б и под действием силы тяжести устремится опять вниз, вызвав при этом растяжение пружины, и вновь пройдет положение покоя и т. д. Под действием толчка возникает гармонический колебательный процесс перемещения груза на какой-то период времени. По мере прохождения времени путь перемещения груза будет уменьшаться и в конечном счете он займет положение, из которого был выведен толчком. Процесс затухания колебательного движения происходит в результате затраты энергии пружины на преодоление сопротивления воздуха перемещению груза и преодоление внутренней реакции самой пружины.

Затухание колебаний груза может и не произойти, если толчок или так называемый импульс силы, выводящий груз из состояния покоя, периодически будет повторяться. Если повторяющийся импульс силы по своей величине не будет превышать сил трения, противодействующих перемещению груза, то в этом случае груз будет колебаться, перемещаясь между двумя точками — верхней Б и нижней В.

Путь перемещения груза между этими точками, или размах, принято называть амплитудой колебания. Время, прошедшее от начала перемещения груза до его возврата в исходную точку, принято называть периодом колебания Т.

Перемещение между двумя крайними точками Б к В происходит за половину периода — Т/2.

Аналогичное явление можно наблюдать, если на одном конце нерастяжимой нити (фиг. 2) подвесить небольшой груз А, а второй конец закрепить неподвижной точке О. Нить под действием груза займет вертикальное положение. На нить будет действовать сила тяжести Р. Такое состояние подвешенного груза называют состоянием покоя. Отведя груз на некоторый угол от положения покоя и отпустив его, последний начнет колебаться.

Фиг. 2. Схема колебания маятника

Груз А под действием силы тяжести Р будет стремиться занять наинизшее положение. При своем движении груз получит ускорение и, достигнув точки покоя, не остановится, а будет двигаться дальше. Удерживаемый нитью, он при этом переместится вверх. Затрачивая полученное ускорение на подъем, груз вновь остановится в какой-то крайней точке.

Совершив некоторое количество перемещений, груз остановится и займет исходное положение, т. е. положение покоя. Процесс перемещения груза будет гармоническим колебательным движением.

Наблюдая за колебательными движениями подвешенного груза, можно установить, что крайние точки отклонения его будут каждый раз смещаться к вертикали, т. е. колебания будут затухать. Затухания происходят из-за того, что груз испытывает сопротивление воздуха и сопротивление в точке подвеса. На преодоление этих сопротивлений он теряет энергию, полученную при первом толчке. Если толчками извне будет компенсироваться потеря энергии на преодоление сопротивлений, то колебания груза не будут затухать аналогично тому, как это было рассмотрено в случае с пружинным маятником.

Импульсы, сообщаемые внешней силой, по своему значению должны быть равны затратам энергии на преодоление трения. В этом случае груз будет перемещаться между крайними установившимися точками, т. е. будет сохраняться его амплитуда колебания.

Рассмотренные колебания груза, подвешенного на нерастяжимой нити, известны в теории как колебания математического маятника (предполагается, что вес груза сосредоточен в одной точке). Такая схема удобна для анализа сущности процесса и вывода основных зависимостей.

В природе имеют место аналогичные системы с колебаниями тел, называемых физическим маятником. К таким телам, в частности, относятся маятники настенных и напольных часов.

Физическим маятником называется твердое тело, имеющее неподвижную горизонтальную ось (ось подвеса) и могущее под действием собственного веса совершать вокруг этой оси вращательные движения колебательного характера.

Мы будем рассматривать маятник, который колеблется вокруг неподвижной горизонтальной оси в одной плоскости. Такой маятник называют обыкновенным или круговым. Круговые маятники применяются в настенных напольных и отдельных типах настольных часов, т. е. в стационарных приборах времени, и называются регуляторами хода.

Для того чтобы колебания маятника могли служить для целей измерения времени, период их должен быть строго постоянен и не зависеть от амплитуды. Время одного полного колебания при большой и малой амплитудах должно быть одно и то же, т. е. должна сохраняться изохронность колебаний.

Известно, что колебания маятника не строго изохронны, поэтому в часах применяются специальные устройства для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить постоянство амплитуды, а с другой — уменьшить влияние изменения ее на период колебаний.

Более подробно о работе маятника в часах будет рассказано в § 6 гл. III. По аналогии с пружинным маятником периодом колебания кругового маятника называется время, которое необходимо на перемещение его из положения равновесия в одну сторону и возвращение его в прежнее положение.

Амплитудой колебания такого маятника называется угол его наибольшего отклонения от положения равновесия.

В часах настенных, напольных и в отдельных типах настольных в качестве регулятора хода применяют маятник.

Маятник, а также некоторые связанные с ним детали играют существенную роль в работе часового механизма.

Если механических часах маятник является только регулятором хода, то в часах с электрическим приводом он, кроме того, является двигателем для механизма, выполняющего функции включения тока.

В зависимости от типа часов маятник на свободном своем конце имеет груз в виде линзы или цилиндрической гири. В отдельных типах часов груз может быть в виде двух цилиндрических гирь. Линзы применяются в целях уменьшения сопротивления воздуха. Стержень маятника часов, как правило, бывает легким, но жестким, груз тяжелым и сосредоточенным.