Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Спортсмен, который обычно прыгает в длину на семь-восемь метров, не преодолеет и четырех, если лишить его возможности разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый запас энергии, который в момент прыжка добавляет к силе своих мускулов. Физика очень точно определяет этот запас — это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в нашем примере — бегущий человек. Чем больше масса тела и его скорость, тем больше этот запас, больше кинетическая энергия. Это легко поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции. Шоферы хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем сильнее он нагружен, тем труднее машину остановить, то есть погасить в тормозах ее кинетическую энергию.

Кинетическая энергия у какого-либо тела, конечно, не появляется сама собой. Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха — словом, с помощью любых источников энергии, способных толкать, двигать, вращать, способных «создавать скорость».

Теперь можно сказать, кто же этот второй потребитель энергии, участвующий в колебаниях струны. Это движение. Если, оттянув струну, вы отпустите ее на свободу, то силы упругой деформации постараются сразу же вернуть ее в исходное положение, к условной средней линии. При этом струна начнет двигаться и набирать скорость, а значит, увеличивать запасы кинетической энергии. Но и эти запасы струна не хранит у себя, а постепенно отдает их. И опять тот же вопрос — кому?

В поисках ответа мы сейчас прокрутим — разумеется, условно, мысленно — небольшой учебный кинофильм.

…В зале медленно гаснет свет. Звучит музыкальное вступление, и на экране появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в три ровные линии, мы читаем название фильма: «Свободные колебания струны». И тут же слышим голос диктора: «Замечательная техника современного кино позволяет нам увидеть колебания гитарной струны, замедленные в несколько тысяч раз».

На экране струна, натянутая между двумя массивными стойками. Откуда-то со стороны выплывает рука, указательным пальцем цепляет струну и оттягивает в сторону. На том месте, где только что была струна, остается пунктирная линия, и тут же возле нее появляется надпись: «Линия покоя». Снова голос диктора: «Оттянув струну, мы затратили некоторую энергию».

Палец отпускает струну. Она начинает двигаться, сначала медленно, затем все быстрее. Двигаясь, струна в какой-то момент сливается с пунктирной «линией покоя». Голос поясняет: «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя. Но остановиться здесь она не может: почти вся энергия, которую мы передали струне, оттянув ее, теперь перешла в кинетическую энергию, и, только потеряв ее, струна сможет вновь обрести покой. А пока она продолжает двигаться».

Проскочив пунктирную «линию покоя», струна продолжает двигаться и вновь изгибается, оттягивается, но теперь уже сама. И конечно, изгибается в противоположную сторону. Струна изгибается все сильнее. Скорость ее уменьшается. Голос диктора: «Сейчас струна, истратив свою кинетическую энергию, остановится. Но это лишь кажущийся покой — струна вновь деформирована, и силы упругости снова начинают двигать ее, вновь приближая струну к «линии покоя».

Диктор сказал правду: мы действительно видим, как струна движется к пунктирной линии, вновь сливается с ней на какое-то неуловимое мгновение и, проскочив эту линию, продолжает двигаться… Вот она уже почти на том же месте, куда когда-то оттянул ее палец… Неуловимая остановка, и, изменив направление на обратное, снова в путь, снова к «линии покоя»…

Однако не будем утомлять себя этим однообразным зрелищем. Покинем на время кинозал и попробуем устроить небольшое обсуждение фильма.

Т-91. Свободные колебания — чрезвычайно широкий класс процессов, в которых происходит обмен энергией между двумя ее накопителями. Мы видели, что струна сама по себе двигалась то туда, то обратно, то есть совершала свободные колебания. Струна двигалась относительно некоторого устойчивого состояния, относительно «линии покоя». В процессе колебаний по синусоиде менялась скорость струны, по синусоиде менялось ее отклонение от средней линии. Первопричина всего этого — обмен энергией между двумя накопителями, между силами упругости и движением. Оба накопителя энергии существуют в натянутой струне не каждый сам по себе, они взаимосвязаны — упругая деформация стремится двинуть струну, создать у нее запас кинетической энергии, а кинетическая энергия стремится изогнуть струну, запасти в ней энергию в виде упругой деформации. Поэтому, как только мы передали струне порцию энергии, накопители сразу же начали перебрасывать ее друг другу. Начались свободные колебания.